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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SALTA
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS
Doctorado en Ciencias
Área Energías Renovables
Tema de tesis:
ESTUDIO DE ABSORBEDORES PARA LA
GENERACION DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE
UN REFLECTOR LINEAL TIPO FRESNEL
2014
Doctorando: Martín Altamirano
Director: Luis R. Saravia

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 2

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 3
RESUMEN
Frente a la actual crisis energética y ambiental una de las respuestas que
contribuye a una solución de fondo, es la investigación y desarrollo de tecnologías que
aprovechen recursos energéticos limpios y renovables. Entre estos recursos, la energía
solar es una de las principales fuentes que puede ser aprovechada en varias regiones del
planeta. Tal es el caso de la región andina en América del Sur. Allí el uso de la energía
solar puede dar solución a distintas necesidades energéticas, desde aplicaciones
domésticas hasta industriales, especialmente en localizaciones alejadas de las redes de
energía convencional. Cabe destacar que las zonas andinas del Noroeste Argentino, junto
con las zonas aledañas en Bolivia y Chile, forman una de las 7 regiones de mayor
radiación solar a nivel mundial.
Una de las formas de aprovechamiento de la energía solar térmica es la
generación de electricidad o de vapor para procesos industriales, mediante la
concentración de la radiación. Existen varios tipos de sistema estudiados para tales fines.
Entre los más desarrollados se encuentran: Disco Parabólico, Receptor de Torre Central y
Concentrador Cilindro-parabólico.
Un concepto novedoso es el Concentrador Fresnel Lineal (CFL) que se caracteriza
por la disminución de costos en relación a la tecnología de Concentración Cilindro
Parabólica. Además el CFL permite la utilización de agua como fluido caloportador
aumentando los rendimientos y reduciendo las complicaciones al no trabajar con
intercambiadores de calor.
En esta tesis se estudian los procesos de transferencia de calor de un CFL.
En el capítulo 1 se realiza la descripción del funcionamiento de esta tecnología.
Asimismo, se hace una reseña sobre cómo surge el proyecto dentro del grupo de trabajo
del INENCO. Finalmente, se efectúa una revisión del estado del arte de esta tecnología.
En los capítulos 2 y 3 se estudian las pérdidas térmicas en el absorbedor y los
procesos de transferencia de calor que ocurren dentro del mismo. El objetivo es conocer
de manera detallada estos procesos para evaluar geometrías y materiales que mejoren su
funcionamiento.
En el capítulo 4 se estudian el CFL de 43 m2 que fue instalado en el campo de
experimental del INENCO, con el objetivo de su puesta a punto y conocer sus parámetros
de funcionamiento.
En el capítulo 5 se realiza una simulación del equipo estudiado en el capitulo
anterior y se evalúa su comportamiento con distintas configuraciones de funcionamiento y
el uso de distintos materiales. El objetivo es evaluar modificaciones que mejoren su
eficiencia.
Por último, en el capítulo 6 se realiza una simulación del equipo de 86 m2 instalado
en la Localidad de San Carlos, con el objetivo de elegir la configuración que mejor se

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 4
adapte al proyecto. Una vez realizado este ensayo, se detalla la etapa de construcción y
puesta a punto del mismo.
Este trabajo muestra las posibilidades técnicas de construcción con la que se
cuenta en la región para realizar un módulo de escala real, que pueda ser replicado y
conectado en serie, con fines de generar vapor para suplir las necesidades energéticas de
la zona.

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 5
ABSTRACT
Faced with the current energy and environmental crisis, one response that contributes to a
fundamental solution is the research and development of technologies that exploit
renewable resources and clean energy. Among these resources, solar energy is one of the
main sources that can be exploited in various regions of the planet. Such is the case of the
Andes in South America. There the use of solar energy can solve different energy needs
from domestic to industrial applications, especially in locations away from conventional
power networks. Notably, the Andean region of Northwest in Argentina, along with the
surrounding areas in Bolivia and Chile, are one of the 7 regions of highest solar radiation
in the world.
One way of harnessing solar thermal energy is the generation of electricity or steam for
industrial processes, by concentrating the radiation. Several types of system are studied
for this purpose. Among the most developed are: Parabolic Disc, Central Tower Receiver
and cylinder-parabolic concentrator.
A new concept is the linear Fresnel concentrator (CFL) characterized by decreasing costs
in relation to technology Concentrating Parabolic Cylinder. Furthermore the CFL allows
use of water as coolant fluid increasing yields and reducing complications when not
working with heat exchangers.
In this thesis, the processes of heat transfer for a CFL are studied
In Chapter 1, the description of how this technology is made. Also, a review of how the
project started within the working group is INENCO. Finally, a review of the state of the art
of this technology is made.
In Chapters 2 and 3, the heat losses in the absorber and the heat transfer processes
occurring within the same are studied. The goal is to understand these processes in detail
to evaluate geometries and materials to improve their performance.
Chapter 4, the CFL 43 m2 installed in the experimental field of INENCO is studied, with the
aim of know their operating parameters are studied.
In Chapter 5 the computer simulation of the equipment discussed in the previous chapter
and their behavior with different operating configurations and the use of different materials
is evaluated is performed. The objective is to evaluate modifications to improve its
efficiency.
Finally, in Chapter 6 an equipment of 86 m2 installed in the City of San Carlos is
simulated, in order to choose the configuration that best suits the project is done. Once
done this test, the stage of construction and commissioning of the same detailing.
This work shows the technical possibilities of building with which it is told in the region to
conduct a full-scale module that can be replicated and connected in series, for the purpose
of generating steam to meet the energy needs of the area.

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AGRADECIMIENTOS
A mi novia Karina y mi hija Catalina por el amor que me da la fuerza que necesito todos
los días
A mis viejos Julio y Raquel y mis hermanos por su apoyo incondicional
A mi tía Judith y mi prima por sus consejos y acompañamiento
A mi director Luis y su mujer Loli por tanta paciencia
A mis amigos, en especial Mati T, Mati V y Lucas
A mis compañeros de trabajo Marcelo, Marcos, Cora, Daniel, Silvana, Ale, Fisi, Ricardo,
Nahuel, Guillermo, Hugo, Rula, Pardo, Rubén, Matías

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INDICE
CAPITULO 1 19
1.1. El concepto del concentrador Fresnel lineal 20
1.2. La conversión de potencia 21
1.3. Partes principales del CFL 22
1.3.1. Espejos 22
1.3.2. Absorbedor 24
1.3.3. Sistema de movimiento 25
1.4. Justificación 26
1.5.1. Antecedentes del INENCO en el tema CLF 27
1.5.2. Proyectos vinculados a la tesis y equipo de trabajo 32
1.6.1. Objetivos principales 32
1.6.2. Objetivos específicos 33
1.6.3. Metodología 33
1.7. Revisión bibliográfica 35
1.7.1. Sistemas de energía solar térmica 35
1.7.2. Generación directa de vapor 37
1.7.3. Francia y el primer concentrador Fresnel lineal (CFL) 38
1.7.4. CLFR (Areva-Ausra) 40
1.7.5. Solarmundo-Novatec 42
1.7.6. Proyectos comerciales con tecnología CFL 43
1.7.7. Estudios térmicos del absorbedor 44
CAPITULO 2 47
2.1. Absorbedor lineal 48
2.2. Estudio geométrico 50
2.2.1. Caño simple 51
2.2.2. Doble caño 52
2.2.3. Doble caño con espejo triangular en el medio 54
2.2.4. Cinco caños 56
2.2.5. Comparación entre las distintas configuraciones 57
2.3. Evaluación de las pérdidas térmicas 58
2.3.1. El equipo de monitoreo 59
2.3.2. Resultados del monitoreo 60
2.3.3. Determinación del coeficiente global de pérdida 61
2.3.4. Distribución de temperaturas en el absorbedor 63
2.3.5. Balance de energía dentro de la cavidad 66
2.4. Simulación térmica de un absorbedor lineal mediante SIMUSOL 70
2.4.1. Modelo térmico con SIMUSOL 72
2.4.2. Hipótesis 75
2.4.3. Desarrollo del programa 75

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2.4.4. Resultados de la simulación con SIMUSOL 77
2.5. Conclusiones del capítulo 78
CAPITULO 3 81
3.1. COMSOL Multiphisycs. 82
3.2.1. Modulo de transferencia de calor 82
3.2.1.1. La ecuación de la energía 82
3.2.1.2. Condiciones borde 84
3.2.1.3. Transferencia de calor radiante 85
3.2.1.4. Tipos de Radiación 86
3.2.1.5. Radiación de la superficie al ambiente 87
3.2.1.6. Radiación de superficie a superficie 87
3.2.1.7. Solución para la radiosidad 89
3.2.1.8. Coeficientes de transferencia de calor por convección 89
3.2.2. Módulo de Mecánica de Fluido 90
3.2.2.1. Módulo de Mecánica de Fluido (Navier-Stokes ligeramente compresible) 90
3.2.2.2. Condiciones de borde 92
3.2.3. Método numérico (Elementos Finitos) 93
3.3. Descripción del absorbedor 93
3.3.1. Primera aproximación 94
3.3.2. Ecuaciones gobernantes 95
3.3.3. Condiciones de borde 96
3.3.4. Mallado 98
3.3.5. Método numérico 99
3.3.6. Resultados 99
3.4. Segunda aproximación 104
3.4.1. Mallado 105
3.4.2. Resultados 106
3.5. Conclusiones del capítulo 111
CAPITULO 4 113
4.1. Descripción del equipo ensayado (CFL del INENCO 43m2) 114
4.1.1. Esquema de medidas 116
4.1.2. Resultados 118
4.1.3. Análisis de las temperaturas de salida 125
4.2. Conclusiones del capítulo 128
CAPITULO 5 129
5.1. Simulación numérica con SIMUSOL 130
5.2.1. Primera configuración 131
5.2.2. Modelo térmico con SIMUSOL equipo con cambio de fase 132
5.2.2.1. Estimación de los coeficientes convectivos internos de los caños 133
5.2.2.2. Circuito térmico para SIMUSOL 136

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5.2.3. Ajuste de la simulación 136
5.2.4. Resultados simulación del equipo sin recirculación 137
5.3. Segunda configuración 139
5.3.1. Modelo térmico con SIMUSOL del equipo con recirculación de agua 139
5.3.2. Resultados de simulación del con tanque de acumulación 141
5.4. Tercera configuración 143
5.4.1. Resultados de simulación del con tanque de acumulación y recirculación en
el absorbedor 146
5.5. Conclusiones del capítulo 150
CAPITULO 6 151
6.1. Descripción del proyecto 152
6.1.1. Justificación del proyecto 152
6.2. Instalación en Minera del Altiplano 153
6.2.1. Planos de planta 155
6.3. Instalación en San Carlos 156
6.3.1. Plano de planta 157
6.4. Equipo simulado 158
6.4.1. Modelo térmico con SIMUSOL 159
6.4.2. Resultados de las simulaciones 161
6.5. Instalación en San Carlos 162
6.6. Sistema de circulación de agua 166
6.7.1. Primer ensayo 167
6.7.2. Segundo ensayo 169
6.8. Conclusiones del capítulo 171
CONCLUSIONES FINALES 173
BIBLIOGRAFIA 177
ANEXO A Publicaciones asociadas al trabajo de tesis 183
PUBLICACIONES 184

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INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Esquema de un concentrador lineal tipo Fresnel 20
Figura 1.2: Fotografía de un CFL 21
Figura 1.3: Colocación de la chapa de protección posterior 22
Figura 1.4: Espejos instalados en la localidad de San Carlos 23
Figura 1.5: Estudio mediante programa Cabri Geometre II Plus de la flecha
adecuada para cada reflector 24
Figura 1.6: Esquema del absorbedor trapezoidal con 5 caños colectores 24
Figura 1.7: Fotografía del absorbedor trapezoidal con 5 caños colectores 25
Figura 1.8: Esquema de conexión del sistema de movimiento con uso motor y
levas de transmisión 26
Figura 1.9: Motor paso a paso conectado a un espejo con una reducción de 1/100 26
Figura 1.10: Fotografía del primer equipo de 8m2 instalado en el INENCO 28
Figura 1.11: Fotografía del absorbedor de 3 caños instalado en el equipo de 8m2 29
Figura 1.12: Fotografía del primer equipo de 24m2 instalado en el INENCO 30
Figura 1.13: Fotografía del absorbedor de 2 caños instalado en el equipo de 24m2 31
Figura 1.14: representación esquemática de la metodología. 35
Figura 1.15: Concentradores solares para generación de potencia 36
Figura 1.16: El recalentamiento de los ciclos solares de energía 38
Figura 1.17: Izquierda: Dibujo del patentado CFL; Derecha: Foto de primer
prototipo LFC de Francia (Francia Archive, Musil Brescia) 39
Figura 1.18: Los dibujos de Francia de la planta de energía solar a gran previsto
integrarse en el entorno urbano de alrededor del año 1965 (Francia, 1971) 40
Figura 1.19: Concepto de trabajo del CLFR 41
Figura 1.20: Representación del ordenador del sistema de muestra Solarmundo 42
Figura 2.1: Vista de perfil de un absorbedor lineal de cinco caños sin espejo de
concentración secundaria 49
Figura 2.2: Vista de perfil de un absorbedor lineal de un caño con espejo de
concentración secundaria 49
Figura 2.3: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de un caño
con espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con
un ángulo de 90° con la horizontal 51
Figura 2.4: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de un caño
con espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con
un ángulo de 45° con la horizontal 52
Figura 2.5: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño
con espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con
un ángulo de 90° con la horizontal 53
Figura 2.6: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño
con espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con
un ángulo de 45° con la horizontal 54

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Figura 2.7: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño
separados 4 Cm con espejo triangular entre ambos y espejo de concentración
secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de 90° con la
horizontal
55
Figura 2.8: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño
separados 4 Cm con espejo triangular entre ambos y espejo de concentración
secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de 45° con la
horizontal 56
Figura 2.9: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de cinco
caño separados 1.26 Cm con espejo triangular entre ambos y sin espejo de
concentración secundario 57
Figura 2.10: Fotografía del equipo instalado en el laboratorio para simular el
comportamiento térmico del absorbedor 59
Figura 2.11: Sección transversal del absorbedor con sus dimensiones y la
ubicación de las termocuplas tipo K 60
Figura 2.12: Potencia eléctrica disipada Qd versus la diferencia entre la
temperatura promedio de los caños y la temperatura ambiente 61
Figura 2.13: Coeficiente de pérdida térmica UL calculado desde la ecuación 2.2
versus la diferencia entre la temperatura promedio de los caños y la temperatura
ambiente 62
Figura 2.14: Valores de temperatura superficial de los caños y distribución en
altura de la temperatura del aire interior según la potencia eléctrica disipada en
cada ensayo 63
Figura 2.15: Valores de temperatura superficial de los caños y distribución en
altura de la temperatura del aire interior según la potencia eléctrica disipada en
cada ensayo 64
Figura 2.16: Valores de temperatura en estado estacionario medidos en el
prototipo durante los 6 ensayos en función de la temperatura superficial promedio
de los caños pintados de negro 65
Figura 2.18: Símbolos análogos Térmicos-Eléctricos usados por SIMUSOL 70
Figura 2.19: Esquema del prototipo del absorbedor. Los puntos rojos indican los
nodos de temperatura incluidos en el modelo térmico de SIMUSOL 72
Figura 2.20: Analogía eléctrico-térmica para el prototipo de absorbedor 74
Figura 2.21: Temperatura experimentales (marcadores) y simuladas (líneas)
mediante SIMUSOL, para el conducto, el plástico Mylar, el aire interior de la
cavidad, los laterales interiores y exteriores y el lado exterior del techo 77
Figura 2.22: Error relativo porcentual de la simulación con SIMUSOL para el
conducto, el plástico Mylar, el aire interior de la cavidad, los laterales interiores y
exteriores y el lado exterior del techo 78
Figura 3.1: Destino irradiación (izquierda), dejando radiosidad (derecha) 85
Figura 3.2: Ejemplo de geometría para la radiación de superficie a superficie 88
Figura 3.3: Modelo de absorbedor simplificado usado para la simulación mediante
CFD 94
Figura 3.4: Representación de la mitad derecha del absorbedor simulado 95

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Figura 3.5: Mallado triangular afinado en la zona del vidrio para visualizar posibles
capas límites 99
Figuras 3.6: Gráfico de distribución de temperatura (escala de colores) y líneas de
corrientes (blanco): (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de caño 445
K. (c) Temperatura de caño 557 K. 101
Figura 3.7: Distribución de temperatura en el aire interior sobre el eje de simetría
de la cavidad trapezoidal: (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de
caño 445 K. (c) Temperatura de caño 557 K. 103
Figura 3.8: Gráficos comparativos entre los valores medidos y simulados de las
pérdidas térmicas (W/m) totales en un absorbedor lineal tipo Fresnel en función de
las temperatura de funcionamiento de los caños en (C) 103
Figura 3.9: Modelo de absorbedor usado para la simulación mediante CFD 104
Figura 3.10: Representación de la mitad derecha del absorbedor simulado 105
Figura 3.11: Malla triangular afinado en la zona del vidrio y de los caños para
detectar posibles capas limites 105
Figuras 3.12 Gráfico de distribución de temperatura (escala de colores) y líneas de
corrientes (blanco): (a) Temperatura de caño 383.83 K. (b) Temperatura de caño
445.33 K. (c) Temperatura de caño 557.95 K. 107
Figura 3.13: Distribución de temperatura en el aire interior sobre el eje de simetría
de la cavidad trapezoidal: (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de
caño 445 K. (c) Temperatura de caño 557 K. 109
Figura 3.14: Gráficos comparativos entre los valores medidos y simulados de las
pérdidas térmicas totales en un absorbedor lineal tipo Fresnel 110
Figura 4.1: Fotografías del equipo instalado en el campo experimental del
INENCO 115
Figura 4.2: Esquema de la circulación del fluido de trabajo – Variables de media – 116
Figura 4.3: Perdidas debido a la declinación estacional 118
Figura 4.4: Eficiencia instantánea Vs. (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia) 120
Figura 4.5: Eficiencia instantánea Vs.(Tmedia-Tambiente)/Irradiancia 121
Figura 4.6: Eficiencia instantánea Vs.(Tmedia-Tambiente)/Irradiancia 123
Figura 4.7: Eficiencia instantánea Vs.(Tmedia-Tambiente)/Irradiancia 124
Figura 4.8: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día 125
Figura 4.9: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día 126
Figura 4.10: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día 127
Figura 4.11: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día 128
Figura 5.1: Símbolo utilizado por SIMUSOL para llamar un modelo 130
Figura 5.2: Esquema de funcionamiento del equipo con producción de vapor en el
absorbedor 131
Figura 5.3: F experimental de Chen 134
Figura 5.4: Factor de supresión en función del número de Reynolds de la mezcla 135
Figura 5.5: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo con
producción de vapor en el absorbedor 136
Figura 5.6: Comparación entre datos medidos y simulados de la temperatura de
salida del agua en el absorbedor 137

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 15
Figura 5.7: Comparación de temperaturas y eficiencias en funcionamiento con
cambio de fase 138
Figura 5.8: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
cambio de fase 138
Figura 5.9: Esquema de funcionamiento del equipo con tanque de recirculación. 139
Figura 5.10: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo de
funcionamiento con recirculación 141
Figura 5.11: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
recirculación 142
Figura 5.12: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
recirculación 143
Figura 5.13: Esquema de circuito de recirculación de agua en un CFL 144
Figura 5.14: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo de
funcionamiento con tanque de acumulación y recirculación en el absorbedor 146
Figura 5.15: Simulación del equipo sin modificaciones 147
Figura 5.16: Simulación del equipo funcionando con pintura selectiva 147
Figura 5.17: Simulación del equipo funcionando con vidrio blanco 148
Figura 5.18: Simulación del equipo funcionando área extendida 149
Figura 5.19: Simulación del caudal producido con un equipo de (a) área 43.2 m2 y
(b) 48m2 149
Figura 6.1: Emplazamiento del equipo en el Campamento Fénix en la Minera del
Altiplano. 154
Figura 6.2 Plano de planta de equipo de 86 metros cuadrados. 155
Figura 6.3: Emplazamiento del equipo en la loc. de San Carlos. 156
Figura 6.4: Plano de plata del la instalación del equipo en San Carlos. 157
Figura 6.5: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el equipo de 86m2
de área de colección. 160
Figura 6.6: a) Gráfico de temperaturas de agua en el absorbedor (C) vs hora solar.
En b) se observa la eficiencia del sistema vs hora solar. Día simulado, el 21 de
Diciembre. 161
Figura 6.7: a) Gráfico de temperaturas de agua en el absorbedor (C) vs hora solar
y b) muestra la variación de la eficiencia con la hora solar. Ambos gráficos para el
21 de Junio. 162
Figura 6.8: Emplazamiento de las bases para el absorbedor 163
Figura 6.9: Etapa del montaje del absorbedor 164
Figura 6.10: Montaje de los bastidores y espejos 165
Figura 6.11: Montaje del sistema de alimentación del absorbedor. 165
Figura 6.12: Vista de los espejos con su correspondiente motor y sistema de
control 166
Figura 6.13: a) Temperaturas registradas durante el ensayo desde horas 14 hasta
15:30 aproximadamente. b) Se observa el equipo en condiciones de
funcionamiento, donde a la salida se obtiene vapor sobrecalentado. 168
Figura 6.14: En a) se observa la imagen termográfica de la 2da sección del
absorbedor, b) corresponde a la 7ma sección y c) a la 9na, donde el agua finaliza

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 16
su recorrido por el absorbedor. 169
Figura 6.15: Temperaturas registradas durante el segundo ensayo. 170
Figura 6.16: evaluación de la distribución de temperatura sobre los caños del
absorbedor mediante el uso de cámara termogáfica. 171

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 17
INDICES DE TABLAS
Tabla 1.1: Resume los proyectos comerciales que utilizan tecnología de CFL a la
fecha. (ENREL, 2014) 44
Tabla 2.1: porcentajes de captación de radiación directa para dos ángulos de
incidencias: 90° y 45° 58
Tabla 2.2: Resultados de potencia y temperaturas para los ensayos con
recubrimiento de pintura negra en los caños del absorbedor 61
Tabla 2.3: Radiosidades de las paredes interiores del absorbedor según la
potencia eléctrica disipada 67
Tabla 2.4: Valores de los coeficientes convectivos internos de la cavidad y
externos de la cubierta transparente en (W/m2C) 68
Tabla 2.5: Tasas de pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor.
Valores absolutos y porcentuales 69
Tabla 2.6: Coeficientes convectivos interiores y exteriores utilizados en la
simulación con SIMUSOL 76
Tabla 3.1: Parámetros utilizados en las ecuaciones gobernantes y en las
condiciones de borde 98
Tabla 3.2: Tasas de pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor.
Valores simulados y experimentales 111
Tabla 4.1: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos 119
Tabla 4.2: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas 119
Tabla 4.3: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea 120
Tabla 4.4: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos 120
Tabla 4.5: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas 121
Tabla 4.6: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea 121
Tabla 4.7: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos 122
Tabla 4.8: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas 122
Tabla 4.9: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea 122
Tabla 4.10: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos 123
Tabla 4.11: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas 123
Tabla 4.12: Cálculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea 124
Tabla 4.13: Temperatura del vapor en la salida del equipo 125
Tabla 4.14: Temperatura del vapor en la salida del equipo 126
Tabla 4.15: Temperatura del vapor en la salida del equipo 126
Tabla 4.16: Temperatura del vapor en la salida del equipo 127
g3

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 18

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 19
CAPITULO 1
Esta tesis analiza los procesos de transferencia de calor de un equipo de
concentración de energía solar térmica conocido como el Concentrador Fresnel lineal
CFL.
El CFL tiene como objetivo generar altas temperaturas mediante el uso de la
energía solar para el aprovechamiento en la industria o para producción de electricidad.
Este sistema puede utilizar agua como fluido caloportador, produciendo vapor de alta
temperatura que puede ser inyectado en una turbina de ciclo Rankine, evitando el uso de
intercambiadores de calor, aumentando la eficiencia y disminuyendo los costos.
En este capítulo se presentará una visión general del CFL, los diversos
componentes y el objetivo del presente trabajo. Así mismo se presenta un estado de arte
del tema y se esbozan las áreas que están siendo estudiadas en el presente trabajo.
Los capítulos 2 y siguientes dan el análisis detallado y los resultados obtenidos.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 20
1.1. El concepto del concentrador Fresnel lineal
Un sistema de concentración solar lineal tipo Fresnel (CLF) es una de las maneras
más económicas y sencillas de concentrar la radiación solar para obtener grandes
temperaturas en la zona de concentración. Si se utiliza agua como fluido caloportador se
puede aprovechar estas altas temperaturas para producir vapor y accionar así una turbina
para obtener energía eléctrica, o bien aprovechar el vapor para procesos industriales.
El sistema consiste en un arreglo de espejos lineales ubicados en paralelo. Estos
espejos rotan sobre su eje mayor reflejando la radiación directa incidente sobre un
absorbedor que se encuentra a algunos metros por encima de los espejos. Como se
puede apreciar en la figura 1.1 y 1.2, dicho absorbedor contiene, ya sea uno o varios
tubos. Por esos tubos circula un fluido que al recibir la radiación se calienta. Este fluido es
bombeado desde un extremo del absorbedor, y se extrae por el otro. Dependiendo del
uso que se le quiera dar al sistema, este fluido puede ser recirculado para obtener
mayores temperaturas. (Eck y Steinmann, 2001)
Figura 1.1: Esquema de un concentrador lineal tipo Fresnel.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 21
Figura 1.2: Fotografía de un CFL.
1.2. La conversión de potencia
Existen dos posibilidades de conexión de un equipo de CFL para su
aprovechamiento energético entre otras.
La primera configuración: “pura solar”, el colector CLF se utiliza para sustituir la
caldera de una central de ciclo Rankine convencional. Un sistema de almacenamiento de
agua caliente se emplea para proporcionar un buffer intermedio, el cual produce un efecto
de amortiguamiento de los transitorios solares debido al paso de nubes, así como también
para aplanar el efecto del pico de la radiación solar al mediodía. Una configuración “pura
solar” como esta es relevante sólo si se conecta a una red de energía más grande, donde
otras fuentes de energía pueden ser utilizadas para proporcionar energía durante otros
momentos del día.
Aunque “pura solar” es claramente un resultado deseado, los problemas de
almacenamiento prolongado hacen que sea una opción poco favorable en el actual
contexto económico.
En la segunda configuración denominada “de aumento solar”, el calor suministrado
desde el CFL se utiliza para sustituir de manera parcial el calentamiento de agua en un
ciclo de la generación de energía convencional alimentada por combustible fósil, ya sea
utilizando el vapor producido por el CFL para ser inyectado en la caldera o inyectando el
vapor en una segunda etapa de la turbina.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 22
1.3. Partes principales del CFL
1.3.1. Espejos
Lo espejos son uno de los componentes más importantes a la hora de diseñar un
CFL, estos deben ser pensados en función de la temperatura de trabajo y los volúmenes
de vapor que se quieren lograr.
La gran ventaja en un CFL respecto a un sistema de concentración cilindro
parabólico o a un sistema de torre central es la sencillez para construir los reflectores
debido a que para los mismos se emplean espejos planos ligeramente curvados de
manera mecánica. El sistema de movimiento es económico ya que giran solamente sobre
su eje mayor norte-sur.
Para protegerlos contra viento y granizo los reflectores de un CFL tienen dos
grandes ventajas. Una es la de ser montados a poca distancia del suelo, lo que facilita su
protección contra el viento permitiendo instalar estos equipos en zonas de vientos
considerables como la región de la Puna. La otra se refiere a que a los espejos se les
coloca una protección en su parte posterior, tal cual se puede ver en la Fig. 1.3. Ante una
amenaza de granizo los espejos se rotan dejando a los mismos mirando al suelo. Esto
evita que el espejo se ensucie cuando no se usa, especialmente a la hora del rocío o en
caso de tormentas.
Figura 1.3: Colocación de la chapa de protección posterior

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 23
Figura 1.4: Espejos instalados en la localidad de San Carlos
Se debe colocar cada línea de espejos por debajo del absorbedor separados de tal
manera que no sombree a los espejos vecinos, esta distancia se puede calcular teniendo
en cuenta el ancho de los mismos y la posición del sol a la hora de salida y puesta
teniendo en cuenta la zona donde va a ser instalado. En el caso de zonas de montañas
esto dependerá de la altura de las mismas.
De la misma forma que la distancia que existe entre el absorbedor y cada espejo
es distinta, la flecha con la que se curva cada espejo debe ser distinta y va disminuyendo
mientras mayor es la distancia al absorbedor. Para determinar la curvatura adecuada de
cada espejo se estudia la traza de rayos mediante el programa Cabri Geometre II Plus
(Cabri, 2003). Figura 1.5.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 24
Figura 1.5: Estudio mediante programa Cabri Geometre II Plus de la flecha adecuada para
cada reflector (Ws es el ángulo de incidencia de los rayos solares sobre los espejos)
1.3.2. Absorbedor
Otro componente fundamental en un CLF es el absorbedor, el mismo es el
encargado de colectar los rayos provenientes de los espejos y transferir el calor al fluido
caloportador. Para un CLF el absorbedor está formado por una cavidad trapezoidal con
una ventana en su parte inferior y aislada en su parte superior y laterales. Los caños
encargados de recibir la radiación se encuentran por dentro como se puede apreciar en la
figura 1.6 y se cierra con un material transparente en su parte inferior, de esta manera se
disminuyen las perdidas térmicas.
Figura 1.6: Esquema del absorbedor trapezoidal con 5 caños colectores
El absorbedor tiene que ser diseñado para absorber la mayor cantidad de
radiación, por lo que se debe tener en cuenta de donde provienen los haces de luz y tratar

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 25
que estos incidan sobre los caños de manera lo más perpendicular posible. En la figura
1.7 se muestra un absorbedor instalado en la localidad de San Carlos, provincia de Salta.
Figura 1.7: Fotografía del absorbedor trapezoidal con 5 caños colectores
1.3.3. Sistema de movimiento
El sistema de movimiento es el encargado de mantener enfocados los espejos
sobre el absorbedor, durante el transcurso de esta tesis se ensayaron distintos sistemas.
Finalmente se optó por un motor paso a paso acoplado a cada línea de espejos, este
motor es controlado por una placa programable que toma las frecuencias de giro de una
tabla.
Para los primeros prototipos se trabajaba con un solo motor para todo el equipo y
un sistema de varillaje (figura 1.8) pero al crecer en escala y ver la necesidad de
protección de los espejos se optó por un motor por línea de espejos (figura 1.9) (Cadena
et al, 2009).

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 26
Figura 1.8: Esquema de conexión del sistema de movimiento con uso motor y levas de
transmisión
Figura 1.9: Motor paso a paso conectado a un espejo con una reducción de 1/100.
1.4. Justificación
La energía es fundamental para el desarrollo del ser humano y para proporcionar
muchos servicios esenciales que mejoren las condiciones de vida de las personas. Sin
embargo, el uso de la energía convencional produce invariablemente una ruptura del
equilibrio ambiental, provocando una reacción de la naturaleza que puede resultar en
consecuencias adversas para el propio hombre.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 27
Desde que se manifestó mundialmente la necesidad de implementar una política
ambiental, se comenzó a considerar el desarrollo y la utilización de fuentes de energías
renovables.
En apenas dos décadas, el desarrollo de las energías renovables ha evolucionado
desde una mera expresión de deseo a convertirse en una realidad de la que todos
formamos parte, dado que promueven una mejora en nuestra calidad de vida y en la de
las generaciones futuras.
El bienestar y la solidaridad entre las generaciones presentes y futuras sólo se
lograrán impulsando el desarrollo sostenible en todos los ámbitos.
No obstante, los combustibles fósiles siguen siendo fundamentales para la
economía de las naciones industrializadas modernas. En efecto, la producción y el
consumo de estos combustibles continúa creciendo; siendo el calentamiento global una
de las peores amenazas que debemos enfrentar debido al uso de los combustibles
fósiles: gas, petróleo y carbón.
Lamentablemente, las inversiones en energías renovables no son considerables
en comparación con las inversiones anuales realizadas en el desarrollo de nuevas
reservas de combustibles fósiles, algo absolutamente incompatible con la protección del
clima global. Sin embargo, quizá forzadamente, esta tendencia está cambiando, ,
(Secretaria de Energía de la Nación, 2009).
El uso de la energía solar en lugares de alta radiación para la producción de
energía eléctrica o vapor mediante el uso de concentradores solares (250 a 500 C), es
muy importante para producir vapor para una industria o mover una turbina con generador
eléctrico. Desde hace unos 5 años el tema es objeto de un alto interés en USA y Europa.
La energía solar es una fuente capaz de producir las necesidades energéticas mundiales.
En USA se están instalando hasta el 2014, 4000 Mw de centrales solares de potencia
experimentales y en Europa se instalarán 800 Mw en España hasta el 2013 (NREL,
2014).
La zona de Puna y Altiplano constituyen una de las 7 zonas de más alta radiación
solar a nivel mundial por lo que la Argentina dispone de un gran potencial energético. Una
superficie de espejos de 22 x 22 km2 en esa zona generaría la potencia que actualmente
necesita la Argentina, del orden de 27000 MW (Hong, 2011) .
Es por ello que el CFL puede presentarse como una alternativa de peso a la hora
de resolver los problemas energéticos.
1.5.1. Antecedentes del INENCO en el tema CLF
El desarrollo de esta tesis se realizó utilizando la infraestructura del Instituto de
Investigación en Energías No Convencionales (INENCO) y de la Facultad de Ciencias
Exactas de la Universidad Nacional de Salta. Estas instituciones proveyeron lugar físico,

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 28
bibliografía, instrumentos de medición, computadoras, taller y mano de obra
especializada.
El INENCO trabaja en el tema de energías renovables desde 1972 habiendo
realizado numerosos desarrollos aplicables al medio. En los últimos años se pueden citar:
las cocinas solares comunales para escuelas albergue en zonas andinas; secadores
solares industriales que satisfacen las necesidades de cooperativas de producción agraria
y se han instalado en Jujuy, Salta y Córdoba; asesoramiento en relación con
bioclimatización de edificios colaborando en proyectos de importancia realizados en la
zona (Barrio de 17 viviendas de Cachi, hospital materno infantil de Susques); generación
de energía eléctrica por vía solar térmica a baja y alta potencia y otros. (INENCO, 2014)
En el año 2006 esta institución comenzó con el diseño y construcción de prototipos
pequeños de CFL, ya que se consideraba a este sistema muy apropiado por su costo
moderado y cuya construcción es posible con tecnología nacional.
En el año 2006 se construyó un primer prototipo de concentrador lineal Fresnel de
8 m2 con generación directa de vapor de agua. El sistema estaba formado por 8 espejos
de eje horizontal y un absorbedor con concentrador secundario a 4 m de altura. Se
realizaron estudios geométricos para la determinación de la configuración del sistema, la
curvatura de los espejos y el diseño del absorbedor. Se desarrolló un método de sujeción
de espejos que permitía generar la curvatura adecuada para cada concentrador. Se
realizaron ensayos para la determinación de la energía térmica producida. La realización
del trabajo permitió adquirir una importante experiencia y generar las bases para el
desarrollo de sistemas en escalas superiores (Gea et al, 2007).
Figura 1.10: Fotografía del primer equipo de 8m2 instalado en el INENCO

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 29
Figura 1.11: Fotografía del absorbedor de 3 caños instalado en el equipo de 8m2
Un segundo prototipo fue construido en el año 2008 con el objetivo de aumentar la
escala de trabajo y aplicar los conocimientos adquiridos en el primer equipo. Este
segundo CFL contó con 24 m2 de área de espejos. El sistema estaba formado por 8
espejos de eje horizontal de 0,5 m de ancho por 6 m de largo cada uno y un absorbedor
con un espejo secundario a 4 m de altura. El absorbedor estaba formado por dos caños
de acero inoxidable de 5 cm de diámetro cada uno rodeado por un espejo secundario que
recoge los rayos solares reflejados en los 8 espejos. Los estudios geométricos para la
determinación de la configuración del sistema, la curvatura de los espejos y el diseño del
absorbedor se llevaron a cabo con programas ya utilizados en el primer prototipo. (Gea et
al, 2007). El absorbedor fue colgado de un sistema de carriles que permitía su traslado
horizontal para recibir enteramente los rayos solares durante las distintas épocas del año.
Se realizaron ensayos preliminares de producción de vapor a distintas presiones midiendo
el volumen de vapor. (Saravia et al, 2008)

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
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Figura 1.12: Fotografía del primer equipo de 24m2 instalado en el INENCO

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 31
Figura 1.13: Fotografía del absorbedor de 2 caños instalado en el equipo de 24m2
Durante el transcurso de realización de esta tesis se construyó un módulo de 43
m2 de área de colección en el campo experimental del INENCO, el mismo fue ensayado y
aportó gran cantidad de conocimientos para crecer a una escala competitiva. En el año
2010 el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) se interesó en el proyecto y se
sumó con la firma de un convenio de trabajo entre INTI e INENCO-CONICET, aportando
al equipo de trabajo conocimientos en las distintas áreas técnicas como ser el manejo del
vapor y la generación eléctrica. En 2011 comienza la construcción de la primera etapa de
un proyecto PFIP 2009 cuyo objetivo es instalar un CFL de 200 m2 en la localidad de San
Carlos, Salta. Los resultados de los ensayos de estos equipos se muestran en los
capítulos 4, 5 y 6.

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 32
1.5.2. Proyectos vinculados a la tesis y equipo de trabajo
Esta tesis fue desarrollada en vinculación a los siguientes proyectos:
Proyecto de Investigación Nº 1807/2 del Consejo de Investigación de la
Universidad Nacional de Salta, “Generación de electricidad con energía solar mediante un
concentrador Fresnel lineal” perteneciente al programa. “Generación Distribuida de
Energía Solar Térmica y Fotovoltaica”. 2009 – 2011.
Proyectos especiales de la Secretaria de Ciencia y Técnica (SECYT), Ministerio de
Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva. 2006 y 2009.
Proyecto Federal de Innovación Productiva PFIP 2009 “Producción de vapor y
energía eléctrica solar térmica para aplicaciones mineras en la Puna” financiado por el
(Ministerio de Ciencia y técnica de la Nación) COFECYT y el CONICET. En curso desde
Diciembre 2011.
Proyecto de Investigación Nº 2019/1 del Consejo de Investigación de la
Universidad Nacional de Salta “Producción de electricidad mediante energía solar térmica
con concentradores Fresnel lineal” perteneciente al programa “Producción de electricidad
y cogeneración con energía solar térmica de concentración”. Aprobados en Diciembre de
2011. En Curso.
Estos proyectos son desarrollados por el siguiente equipo de trabajo:
Dr. Luis Saravia (director)
Msc. Ing. Marcelo Gea y Lic. Marcos Hongn encargado del desarrollo del sistema
óptico de espejos.
Lic. Martin Altamirano en el desarrollo del absorbedor y puesta a punto del equipo
completo (ejes del trabajo de tesis).
Dr. Carlos Cadena e Ing. Daniel Hoyos, encargados de la conexión a red, sistema
de posicionamiento de los espejos e instrumental de funcionamiento.
Dra. Judith Franco y Dr. Miguel Condori, encargados del aprovechamiento del
vapor a la salida de la turbina para aplicar en sistemas de desalinización y secado de
productos agrarios.
Dr. Silvana Flores, estudios ópticos de transmitancia.
Técnicos, Ricardo Caso, Carlos Fernandez y Hugo Surigoy.
1.6.1. Objetivos principales
El objetivo principal es el desarrollo integral en la Argentina de un equipo CFL
destinado a la producción de vapor de agua para suministro de energía térmica y/o
energía eléctrica

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 33
Como parte del mencionado objetivo esta tesis se centra en el diseño,
construcción y ensayo de un absorbedor lineal de energía solar capaz de generar vapor
de agua a alta temperatura y presión que formará parte de un CFL
1.6.2. Objetivos específicos
• Desarrollar un programa de simulación numérica que permita predecir el
funcionamiento de un CFL.
• Modelizar, simular absorbedores lineales para la generación de potencia solar
térmica con concentradores Fresnel lineales.
• Explorar y desarrollar tecnología que permita la utilización de técnicas y materiales
de uso habitual en el medio.
• Construir y ensayar prototipos de absorbedores lineales con el fin de optimizar su
diseño.
• Evaluar a partir de los resultados la aplicación del sistema para la generación de
potencia, trabajando en conjunto con otros investigadores del INENCO que
desarrollan las distintas partes de los CFL.
1.6.3. Metodología
Para cumplir con los objetivos de esta tesis se dividió la investigación en tres
etapas procediendo de la siguiente manera:
1er etapa: Trabajar en la construcción y puesta a punto del absorbedor lineal.
Para ello se partió de un diseño hecho con el programa Cabri Geometry Plus II
para decidir el tipo de absorbedor y las dimensiones del mismo.
A continuación se procedió a la construcción de un prototipo reducido calentado
con resistencias eléctricas donde se estudió el comportamiento térmico del absorbedor.
Estos datos sirvieron para obtener el coeficiente global de perdida y ajustar la simulación
numérica realizada con el programa SIMUSOL.
Dado que se vio la importancia de entender el movimiento del aire en la cavidad
trapezoidal del absorbedor se realizó una simulación numérica computacional con el
programa Comsol Multiphysics con el cual se hallaron parámetros característicos que
mejoraron la simulación con SIMUSOL.
2da etapa: Construcción y ensayo de un módulo de 43m2
Se diseñó y construyó un modulo de CFL de 43m2. Para el diseño se tuvo en
cuenta que las barras comerciales de hierro tienen 6m de longitud, esta medida fijó el
largo de los espejos y el absorbedor. Para definir el factor de concentración se consideró
las temperaturas, presiones y caudales de trabajo.
Este equipo fue construido en el predio experimental del INENCO por la empresa
INTI-AR. Una vez instalado este módulo se procedió a realizar los ensayos para encontrar
la eficiencia térmica del equipo así también para conocer parámetros característicos de

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 34
funcionamiento como las temperaturas presiones y caudales de trabajo. Debido a que no
tenía totalmente automatizado su sistema de movimiento ni su toma de datos se
necesitaba de por lo menos 4 personas para hacerlo funcionar. Es por ello y por los
factores climáticos, que si bien se ensayaron más días, en este trabajo solo se analizan 4
días.
En paralelo se programó una simulación computacional del módulo de 43m2 con el
programa SIMUSOL, se usaron los valores obtenidos de los ensayos para ajustar la
simulación.
3er etapa: Construcción y ensayos de un equipo de 200m2
Para esta etapa se uso realizaron los planos de planta y despiece de los equipos
con programas de CAD. Las dimensiones se fijaron teniendo en cuenta las temperaturas y
caudales necesarios para mover una máquina de vapor de 20KW. Para ello se fijó un
factor de concentración cercano a 40 y un área de 200m2.
Como ya se constaba con una simulación del equipo contrastada con valores
medidos se realizó la simulación previa a la construcción para probar que con el diseño
planteado se alcanzaría las temperaturas y presiones de trabajo.
La construcción de este equipo se realizó con ayuda de la empresa INTI-AR en la
localidad de San Carlos. En este trabajo se muestran los primeros dos ensayos
realizados, que corresponden a un equipo de 86m2. En Nov/2013 se recibieron los fondos
faltantes y actualmente se está completando el equipo con otros dos módulos de espejos,
la colocación de un acumulador y un motor de vapor así como el condensador que
calentará el aire para el secador de pimiento ya existente.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 35
Figura 1.14: representación esquemática de la metodología.
1.7. Revisión bibliográfica
1.7.1. Sistemas de energía solar térmica
La energía solar térmica es el aprovechamiento de la energía solar
transformándola en energía térmica. Los colectores solares realizan la tarea de capturar
esta energía, que bien pueden ser del tipo no concentrada, como pueden ser los
colectores de placa plana, pozas solares, chimeneas solares y colectores de tubos de
vacío, o pueden ser del tipo de concentración, donde la concentración se lleva a cabo,
normalmente con espejos, de modo que una mayor intensidad de la radiación solar está
disponible en la superficie de absorción menor (Graham et al, 2001) (Akbarzadeh et al,
2005). Colectores de concentración son capaces de alcanzar temperaturas más altas que
los que no concentran, debido al hecho de que las temperaturas más altas permiten ciclos
de conversión de energía termodinámicamente más eficientes, los colectores solares de
mayor escala son del tipo de concentración.
Por la forma en que se logran los enfoques de la luz se definen cuatro categorías
principales de equipos solares de concentración. El primero es el concentrador de disco
parabólico, que proporciona los coeficientes más altos de concentración, en hasta 1.000 y

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 36
superior, y por lo tanto las temperaturas más altas (Keck and Schiel, 2003) (Lovegrove et
al, 2003) . Estos concentradores requieren que todo el disco, así como el "receptor" que
contiene la superficie de absorción, deben seguir al sol medida que pasa a través del cielo
alrededor de dos ejes diferentes. La segunda categoría de colector es la de cilindros
parabólicos, que tiene un enfoque lineal, en consecuencia sólo tiene que seguir al sol
sobre un eje. Por su geometría se ve limitada a relaciones de concentraciones bajas de
hasta alrededor de 85, y en consecuencia, las temperaturas de trabajo son más bajas. La
tercera categoría es la de receptor de torre central, la cual utiliza una serie de helióstatos
para concentrar la luz en una torre central. Los helióstatos en este caso deben realizar el
seguimiento del sol en dos direcciones, pese a su coste elevado hay una ganancia en
simplicidad ya que el receptor térmico está quieto y centralizado, eliminando la necesidad
de tantas tuberías y la duplicación de los componentes. El cuarto y más novedosos es el
CFL en el cual el absorbedor se encuentra quieto algunos metros sobre los espejos, los
cuales rotan sobre su eje mayor para concentrar la radiación incidente.

(a) (b)


(c) (d)
Figura 1.15: Concentradores solares para generación de potencia: (a) concentrador lineal
de Fresnel, (b) concentrador de canal parabólico, (c) concentrador de disco parabólico y
(d) torre central. (Estrada Gasca C. et al.; 2005).
Más allá del colector solar y los reflectores, existen otros componentes importantes
en un sistema de energía solar térmica de concentración. El primero es el fluido de

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 37
trabajo, el cual se mueve a través del colector transfiriendo el calor lejos de la superficie
de absorción. En la práctica se utilizan una amplia gama de materiales como ser agua,
aceite, aire, pentano y metales y sales fundidas. En cada caso se eligen por sus
propiedades térmicas para adaptarse al tipo específico de colección y uso posterior.
El siguiente componente importante es el bloque de potencia. Aquí es donde la
"energía utilizable" se extrae del fluido de trabajo. En la práctica, en la mayoría de los
sistemas, se han utilizado las turbinas de vapor de ciclo de Rankine estándar, a veces con
intercambiadores de calor añadido con el fin de generar vapor de agua desde el fluido de
trabajo, si este fluido en sí no es agua/vapor. En los concentradores de disco parabólico, a
menudo, se han utilizado motores Stirling, montados directamente en el foco de la
parábola (Mancini et al, 2003), y en el caso de colectores de aire de alta temperatura se
usan turbinas de gas de ciclo Brayton (Imenes y Mills, 2003).
Por último, un componente opcional en los sistemas de concentración de energía
solar térmica es un método para el almacenamiento de energía. El almacenamiento de
energía térmica es mucho más económico que el almacenamiento de energía eléctrica.
Este almacenamiento permite que el sistema entregue durante los períodos de nubes
intermitentes, o, si el volumen de almacenamiento es grande, puede permitir que el
bloque de potencia siga operando varias horas sin radiación incidiendo sobre los espejos.
En la práctica, la capacidad del almacenamiento térmica está limitada por el coste, pero
cierta cantidad de almacenamiento, es a menudo económicamente ventajoso, ya que
aumenta la utilización del bloque de alimentación. Algunos fluidos de trabajo facilitan el
almacenamiento directo, tales como las sales fundidas, mientras que otros requieren de
intercambio de calor a otro material tal como aceite, roca, arena u hormigón. Otras
técnicas de almacenamiento térmico disponibles incluyen materiales de cambio de fase
(Herrmann y Kearney, 2002).
1.7.2. Generación Directa de Vapor
Generación Directa de Vapor (GDV), en el contexto del sector de la energía solar
térmica, es la generación de grandes cantidades de vapor producidas con energía solar
sin el uso de un fluido de transferencia de calor. La otra opción son los sistemas de
generación indirecta (SGI), en la cual se calienta un fluido de trabajo, como puede ser
aceite, para después con ayuda de un intercambiador de calor producir el vapor que se
inyectara en la turbina del ciclo Rankine (Degan et al, 1992) (Eck et al, 2008).
En el mercado ha crecido el uso de este tipo de sistemas a partir de una toma de
conciencia cada vez mayor de las limitaciones y dificultades de funcionamiento de los
sistemas de generación indirecta. En general se piensa que los próximos ahorros
considerables para los colectores solares de foco lineal vendrán de una transición para
dirigir la generación de vapor directa (Zarza et al, 2001).
La diferencia entre los sistemas de generación indirecta SGI y un posible sistema
de GDV se muestran en la Figura 1.16.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 38
g894g271g895g3
Figura 1.16: El recalentamiento de los ciclos solares de energía térmica (a) con aceite
como fluido de trabajo y un intercambiador de calor (b) con generación directa de vapor.
Los diagramas muestran los intercambiadores de calor de la bomba y que se pueden
eliminar mediante la sustitución del agua por aceite. (Muller, 1991).
1.7.3. Francia y el primer concentrador Fresnel lineal (CFL)
Giovanni Francia fue la primera persona en el mundo en aplicar el concepto de
reflector concentrador Fresnel en los sistemas de enfoque lineales y puntuales reales.
Presentó su primera patente CFL en 1962, en Italia (Francia, 1962). Al año siguiente, él
diseñó y construyó el primer prototipo de CFL, en Génova, y en 1964 fue ensamblado y
probado en la estación solar Lacédémone-Marsella, en colaboración con Marcel Perrot, y
con el apoyo del Consejo Nacional de Investigación de Francia (CNRS), OTAN y
COMPLES (Cooperación Méditerranée pour l'Energie Solaire).
g894g258g895g3

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 39
Figura 1.17: Izquierda: Dibujo del patentado CFL; Derecha: Foto de primer prototipo LFC
de Francia (Francia Archive, Musil Brescia).
Esta unidad inicial fue construida por GRESUMG (Gruppo Ricerca Energia Solare
Marsiglia Genova - Solar Energy Research Group, Marsella y Génova Universidades) con
un área de aproximadamente 65 m2. Tenía 7 espejos de aluminio, 8 metros de largo y 1
metro de ancho, ubicados este-oeste. Cada espejo gira alrededor de su eje longitudinal,
concentrando la radiación solar en un absorbedor lineal paralelo a los espejos a una altura
de aproximadamente 6 metros. El movimiento de rotación es el mismo para todos los
espejos, y se obtuvo por medio de un mando electrónico con realimentación. El
absorbedor era de 8 metros de largo y 25 centímetros de ancho. Estaba protegido en la
parte delantera (el lado que da a los espejos) y en la parte posterior por un aislamiento
adecuado y un dispositivo de recuperación de pérdidas de calor (Francia, 1963).
Dos espejos verticales planos limitan la pérdida de energía en el lado oeste de la
mañana y en el lado este de la tarde, de lo contrario, se reflejaría la energía hacia el
absorbedor sólo durante las horas del medio día, debido a la corta longitud de los espejos.
En el diseño de la planta solar grande descrita en la patente de Francia. Nº 18634, de los
cuales la planta de Marsella fue la primera unidad, las tiras de aluminio-espejo eran
mucho más largas que el absorbedor, lo que elimina la necesidad de espejos de
protección en los lados. Del mismo modo, la unidad de Marsella fue diseñado para ser
escalable; la longitud de las tiras de espejos se puede triplicar o cuadruplicado y su
número aumenta. La planta generó 38 kg/h de vapor a 100 atm y 450 C. (Francia, 1968)
La planta de Marsella produjo alrededor de 1.200 kWh térmicos anuales por metro
cuadrado de espejo, lo que hace un total de 67.200 kWh al año. Si la planta se hubiera
construido en Sicilia, Francia calculó que la producción habría alcanzado 1.600 kWh al
año por metro cuadrado, para un total de 89.600 kWh al año. (Silvi, 1999)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 40
Según la evaluación de Francia en ese momento, con una planta a gran escala, la
generación de potencia podría ser mucho más barata por kWh que la generada a partir de
aceite. Para Francia, el uso de espejos planos fue fundamental para la construcción de
plantas de gran escala, como declaró en su correspondencia con M. Touchais,
colaborador de Marcel Perrot (Touchais)(Francia).
A finales de los años sesenta, Francia, en cooperación con sus colaboradores,
elaboró el "Proyecto Ciudad Solar-Hipótesis para una estructura urbana", inventando una
innovadora clase de complejo urbano para una población de alrededor de 100.000
habitantes. Este complejo se basó en el uso de energía solar para la iluminación natural y
artificial, para calentar el agua del hogar, para la calefacción y la refrigeración del espacio,
y para la producción de electricidad. El diseño se centraba en torno a unidades repetibles,
independientes y energéticamente autónomos (18). El dibujo en la figura 1.18, es de
alrededor de 1965, muestra la visión de Francia de una gran CFL integrado en un
contexto urbano.
Figura 1.18: Los dibujos de Francia de la planta de energía solar previendo integrarse en
el entorno urbano de alrededor del año 1965 (Francia, 1971)
1.7.4. CLFR (Areva-Ausra)
El concepto de Concentrador Fresnel Lineal Compacto (CLFR, en ingles) se
presentó por primera vez a la Sociedad Internacional de Energía Solar en 1997 por Mills y
Morrison (Mills y Morrison, 1997). El diseño innovador consiste en filas de espejos
entrelazado como se puede ver en la figura 1.19.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 41
Figura 1.19: Concepto de trabajo del CLFR
Mills y Morrison, (Mills y Morrison, 2000) dieron algunos resultados de trazado de
rayos ópticos y resultados de los estudios sobre la densidad espejo-packing. El diseño en
esta etapa aún propuso la utilización de tubos de vacío en el foco, y que se disponen
colgando de lado a lado en el plano vertical a lo largo del absorbedor. Estos estudios
fueron continuados por Imenes para encontrar una mejor distribución en una planta solar
de potencia. (Imenes y Mills, 2003)
Odeh, Behnia y Morrison, (Odeh et al, 2000) dan resultados de la modelización de
estado estacionario del flujo de dos fases en el interior de los tubos de generación directa
de vapor para un sistema hipotético basado en el colector utilizando el modelo de caída
de presión Martinelli-Nelson y el modelo de régimen de flujo Barnea-Taitel-Dukler. Usando
el colector de tubos de vacío LS3, de flujo estratificado, conduce a un riesgo de tensiones
capaces de romper la cápsula de cristal curvado. Se encontró que el flujo estratificado no
se ve en el flujo de estado estable en absorbedores inclinados. Sin embargo, hubo una
mayor tendencia para el flujo intermitente de los absorbedores inclinados cuando se
utilizan tubos de mayor diámetro. También se modelaron las condiciones operativas
discutidas por Lippke (Lippke, 1996) y Dagan (Dagan et al, 1992) para el proyecto de la
Plataforma Solar de Almería.
Los investigadores australianos fueron contratados en EEUU por parte de la
empresa AUSRA, quien contaba con inversores que permitirían emprender la
construcción de sistemas más grandes. Ausra instaló en 2008 un equipo de 5 <Mw en
California. Esta empresa no pudo obtener fondos para construcciones de mayor porte y
finalmente fue comprada por AVERNA, la mayor empresa francesa de instalaciones
nucleares y con un fuerte apoyo de inversores. Actualmente instala en India un sistema
Fresnel de 100 Mw.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 42
1.7.5. Solarmundo-Novatec
El colector solar Solarmundo (Figura 1.20) es otro proyecto de generación directa
de vapor, utiliza la óptica de concentrador Fresnel lineal. Al igual que con CLFR de Mills,
el diseño apunta a una construcción más simple, a un costo menor que los sistemas
cilindro-parabólicos como generación directa de vapor. Un colector prototipo de 2500 m2
fue construido alrededor en 1999 en la Plataforma Solar de Almería y el proyecto fue
presentado por Haberle (Haberle et al, 2001). Después de los primeros ensayos en
Almería la tecnología Solarmundo ha sido adquirido por la empresa Solar Power Group
GmbH.
En el diseño Solarmundo la escala de los espejos es pequeña (aproximadamente
40cm) y además, son planos, en lugar de curvados. Este sistema utiliza una gran cantidad
de espejos, debido a su tamaño más pequeño, y se utiliza un concentrador secundario en
el absorbedor para enfocar la luz en un solo caño donde se transfiere el calor al fluido.
Haberle et al también muestran los datos de pérdida de calor de la cavidad del
absorbedor y algunos datos sobre la eficiencia térmica del equipo. Se presentaron
algunos cálculos de costos que demuestra que a gran escala (800 MW) de sólo solar los
sistemas Solarmundo podrían alcanzar costos de tan sólo 0,04 EUR/kWh en Egipto. A
pequeña escala 50 MW de sólo solar en España alcanzaría 0,10 EUR/kWh.
Figura 1.20: Representación del ordenador del sistema de muestra Solarmundo.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 43
Haberle et al (Haberle et al, 2002) presentaron otro trabajo similar al anterior, en la
reunión Solar PACES. Ellos mostraron las estimaciones actualizadas de la eficiencia y el
costo, y ofrecieron una comparación contra el sistema de generación directa de vapor.
Para un sistema solar de 50 MW en Egipto, el costo de generación de electricidad
Solarmundo fue de 0,0750 EUR/kWh en comparación con los 0,0845 EUR/kWh para el
sistema basado en generación indirecta. Las ventajas de que los absorbedores estén
iluminados desde abajo son tenidas en cuenta durante el análisis de los sistemas de
generación directa, para ello se analiza el flujo bifásico estratificado estable, el agua
ocupa la mitad inferior de la tubería, así que es mejor ya que el calor se transfiere de
mayor manera por ese sector.
1.7.6. Proyectos comerciales con tecnología CFL
A continuación se muestra una tabla que resume los proyectos comerciales que
utilizan tecnología de CFL a la fecha.
Nombre
del
proyecto País Ciudad Estado
Capacidad
de la
turbina año Empresas a
cargo
Dhursar India Dhursar
(Rajasthan)
En
construcción
100 MW 2013 Rajasthan
Sun
Technique-
Areva
Kogan
Creek
Solar
Boots
Australia Chinchilla
(Queenland)
En
construcción
40MW 2014 Areva
Liddell
Power
Station
Australia Liddell (New
South
Walles)
Operando 9MW 2012 Novatec
Solar
Puerto
Errado 2
España Calasparra
(Murcia)
Operando 30MW 2012 Novatec
Solar
Puerto
Errado 1
España Calasparra
(Murcia)
Operando 1,4MW 2009 Novatec
Solar
Care Solar
Thermal
Proyect
Marruecos indefinido En
construcción
1MW 1014 CNIM
Lio Solar
Thermal
Francia Lio
(Pirineos)
En
construcción
9MW 2015 CNIM

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 44
Proyect
Augustin
Fresnel 1
Francia Targassone
(Pirineos)
Operando 250KW 2012 Solar
Euromed
Alba Nova
1
Francia Ghisonaccia
(Corsega)
En
construcción
12MW 2014 Solar
Euromed
Kimberlina
Solar
Power
Plant
USA Bakersfield
(California)
Operando 5MW 2008 Ausra (ahora
Areva)
Tabla 1.1: Resume los proyectos comerciales que utilizan tecnología de CFL a la fecha.
(ENREL, 2014)
1.7.7. Estudios térmicos del absorbedor
El absorbedor cumple una de las funciones más importantes en un CFL y su buen
funcionamiento es fundamental para el buen rendimiento el equipo. Las pérdidas de calor
en el absorbedor se producen por un mecanismo complejo que incluye radiación,
convección y conducción. El conocimiento de la pérdida de calor a través de la estructura
que rodea a los caños en el absorbedor es muy importante porque afecta a la eficiencia
del sistema colector. La pérdida de calor depende de varios factores, como la geometría
de la cavidad, materiales, grosor de aislamiento, la emisividad en infrarrojo de la superficie
absorbente, la relación de concentración, etc. Debido a su influencia relevante sobre el
rendimiento del sistema, la pérdida de calor del absorbedor estaba sujeta a la
investigación por varios métodos, incluyendo mediciones experimentales y cálculos CFD
(mecánica de fluidos computacional). Debido a que en los CFL la radiación llega al
absorbedor desde abajo, el absorbedor es una cavidad invertida aislada en su parte
superior y laterales y con una ventana de ingreso de radiación en su parte inferior. Dentro
de las distintas geometrías estudiadas la cavidad invertida trapezoidal fue la geometría
preferida en los absorbedores mas recientemente estudiados. Jance et al (Jance et al,
2000) demostró a través de mediciones de pérdida de calor, que la transferencia de calor
por convección en una cavidad trapezoidal es pequeña, y que las pérdidas de calor de la
cavidad son predominantemente por la radiación. Reynolds (Reynolds, 2000) y Dey (Dey,
2004) describen aspectos de la metodología de diseño y los cálculos de transferencia de
calor para un absorbedor lineal trapezoidal orientado Norte-Sur, mediante el uso de
análisis de elementos finitos, para así obtener la distribución de temperatura del
absorbedor. Además estos estudios sirvieron para optimizar la separación y el tamaño de
los tubos en la placa de absorción (diseño que asume conductos situados por encima de
la placa de absorción). Este estudio se basa en la minimización de la diferencia de
temperatura entre la superficie del absorbedor y el fluido en el interior de los conductos.
La principal conclusión fue que las diferencias de temperatura entre la superficie del fluido
y la superficie absorbente (< 20 K) se podrían lograr con el espaciamiento y tamaños
apropiados de las tuberías. Los resultados son aplicables a esta geometría particular.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 45
Reynolds et al. (Reynolds et al, 2004) investigaron experimentalmente las pérdidas
de calor de un absorbedor con una sección transversal trapezoidal, con tuberías detrás de
la placa de absorción. Los autores utilizaron la técnica de visualización de flujo para
capturar los patrones de flujo dentro de la cavidad y se compararon los resultados
experimentales con las predicciones obtenidas a partir de un modelo desarrollado con el
software de CFD comercial. Los autores lograron excelentes acuerdos entre los patrones
de flujo experimentales y los predichos por el modelo computacional, pero hubo
diferencias de alrededor del 40% entre las pérdidas de calor determinadas
experimentalmente y las predichas por CFD, que los autores atribuyeron a las
incertidumbres en el trabajo experimental, como la medición de emisividad y la
convección y conducción coeficientes. Los autores también encontraron que los dos
tercios superiores de la cavidad es una región de casi flujo cero (debido a que el aire se
estratificó al ser calentado desde arriba), y que la tercera parte inferior de la cavidad
contiene las celdas de flujo de contra-rotación, uno a cada lado del plano de simetría.
Singh et al (Singh et al, 2010) realiza la prueba del rendimiento térmico de cuatro
absorbedores de cavidad trapezoidal idénticos con secciones de tubos rectangulares y
redondas. Dos superficies absorbentes fueron comparadas, una cubierta con una pintura
negro mate sin selectividad y la otra constituida por una superficie selectiva de níquel
negro. Los datos experimentales mostraron que la eficiencia térmica del dispositivo solar
con absorbedor de tubo redondo es más alta (hasta 8%) en comparación con absorbedor
de tubo rectangular, que el rendimiento térmico disminuyó con el aumento de la relación
de concentración del CFL, y que el absorbedor recubierto con superficie selectiva tenía
una ventaja significativamente superior en términos de rendimiento térmico en
comparación con absorbedor de pintado de negro ordinario (10% superior).
Todos estos antecedentes fueron considerados en el diseño presentado en la
elaboración de esta tesis.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 46

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 47
CAPITULO 2
En este capítulo se evalúa el funcionamiento óptico y térmico del absorbedor. En
primer lugar se analizan dos configuraciones geométricas posibles para un absorbedor
lineal tipo Fresnel utilizando el programa Cabri. Cabe destacar que existen otras
configuraciones posibles pero no fueron analizadas por no contar con la tecnología
necesaria para su construcción. Una vez diseñadas y construidas las configuraciones se
analizan ventajas y desventajas de las mismas, se selecciona una para ser ensayada
experimentalmente. A continuación se realiza la evaluación de comportamiento térmico
del absorbedor en el laboratorio mediante un prototipo construido a escala real en su
sección transversal pero se usó una longitud reducida de 1.4m. El mismo fue calentado
con resistencias eléctricas, se midieron las pérdidas térmicas a través de la envolvente y
las temperaturas de trabajo de las distintas partes. Se obtuvieron el coeficiente global de
pérdida y los balances energéticos entre las distintas partes del absorbedor. Se estudió la
distribución de temperaturas para analizar si los elementos empleados para la
construcción son los adecuados. El comportamiento (térmico) de este equipo fue simulado
con el programa SIMUSOL (desarrollado en el INENCO). Con los datos obtenidos del
ensayo se puso a punto el funcionamiento de los programas y se ajustaron los
coeficientes de transferencias locales y globales.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 48
2.1. Absorbedor lineal
Existen diversas configuraciones posibles a ser usadas en el absorbedor lineal de
un CLF. La elección del diseño más adecuado dependerá de muchos factores de trabajo
como ser, entre otros, los fluidos caloportadores y los coeficientes de concentración con
los que se quiere trabajar. Si bien hay otras posibles opciones, como la que propone Mills
para su equipo de concentración tipo Fresnel compacto (Mills et al, 2000), las más usadas
se pueden agrupar en dos alternativas: la colección directa en un absorbedor trapezoidal
o la reflexión secundaria mediantes el uso de un espejo concentrador. Ambas presentan
ventajas y desventajas y están siendo usadas en la actualidad en grandes instalaciones
ya comercializadas.
La colección directa ha sido usada por investigadores australianos que en la
actualidad trabajan en una compañía norteamericana (AUSRA, hoy día dependiente de la
empresa francesa AVERNA) (Averna 2014) (AUSRA 2010). La colección con
concentración ha sido adoptada por una empresa alemana (NOVATEC). El uso de caños
absorbedores con cubierta al vacío no ha sido contemplado para trabajos menores de 400
C. Recientemente, estas empresas están empezando a considerar la colocación de
absorbedores al vacío en las últimas etapas con el fin de llegar a los 500 C aumentando la
eficiencia de los sistemas aunque se incrementan los costos del equipo. Esta solución ha
sido desarrollada por una compañía alemana (Scott) quien vende los caños a las otras
empresas
Los absorbedores Lineales de colección directa consisten en una cavidad
trapezoidal aislada en sus laterales y parte superior y con una ventana en su parte inferior
por donde ingresa la radiación. Esta es colectada en su interior por caños paralelos como
se muestra en la figura 2.1.
Por debajo de los caños se coloca una lámina transparente. La temperatura más
alta se encuentra en la parte superior al recibir la radiación, por lo que el aire se estratifica
disminuyendo las pérdidas térmicas hacia abajo. Las paredes laterales se inclinan con un
ángulo de 45º, lo que permite la entrada de rayos solares provenientes de los espejos
más alejados.). Toda la parte superior del absorbedor está cubierta con un material
aislante capaz de soportar las temperaturas que alcanzan los caños, superior a los 300 C,
usualmente una lana cerámica.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 49
Figura 2.1: Vista de perfil de un absorbedor lineal de cinco caños sin espejo de
concentración secundaria
Esta configuración presenta la gran ventaja de absorber la radiación en forma
directa evitando las pérdidas que se producen en reflexiones secundarias pero tiene la
desventaja de no distribuir en forma homogénea la radiación sobres todos sus caños y de
necesitar más aislación en la parte superior de la misma al estar en contacto con los
caños.
Los absorbedores con reflexión secundaria consisten en uno o dos caños
centrales donde la radiación es reflejada mediante el uso de un espejo secundario como
se puede ver en la figura 2.2.
Figura 2.2: Vista de perfil de un absorbedor lineal de un caño con espejo de concentración
secundaria
Esta configuración tiene la ventaja de aumentar el factor de concentración pero
también mayores pérdidas ópticas producto de las reflexiones secundarias. En este caso
es necesario diseñar la geometría del espejo con el fin de que todos los rayos que lleguen
a la apertura del absorbedor incidan en los caños.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 50
A continuación se muestra el análisis geométrico realizado con el programa Cabri
Geometry II plus teniendo en cuenta los materiales disponibles el mercado argentino.
2.2. Estudio geométrico
Para realizar el estudio geométrico se usó el programa Cabri Geometry II plus
desarrollado en Francia (Cabri, 2002). Este es un programa que tiene uso didáctico y es
de gran utilidad para estudiar la trayectoria recorrida por los rayos solares en sistemas
ópticos de dos dimensiones. El mismo se caracteriza por su facilidad de uso, alta
precisión y bajo costo.
Se ensayaron tres geometrías distintas para el absorbedor: colección directa,
colección indirecta con un caño y colección indirecta con dos caños. Para este último
caso, se ensayaron dos configuraciones: con los dos caños juntos y con los dos caños
separados con un espejo triangular entre ambos. Para cada geometría los tamaños de los
caños en el absorbedor se fijaron teniendo en cuenta el caudal que debe circular por el
mismo tratando de minimizar los efectos de pérdidas de carga en las tuberías.
Estas geometrías se diseñan utilizando una técnica similar a la aplicada en el caso
de equipos concentradores que no utilizan formación de imágenes. Se divide el espejo
concentrador en segmentos de manera tal que a cada segmento se le dará la inclinación
necesaria para que los haces reflejados siempre lleguen al foco.
Esta geometría se construye con el programa Cabri dividiendo los espejos en
tramos de 1cm y asegurándose que para las posiciones de los espejos extremas (45°
para los espejos más distantes y 90° para los espejos que se encuentran por debajo del
absorbedor) las reflexiones siempre se proyecten sobre los caños absorbedores.
Para la colección directa se trabajó con 5 caños de una pulgada (diámetro
nominal) Schedule 40, mientras que para los absorbedores de colección indirecta se
optaron por caños de 3,5 pulgadas de Schedule 40 para la geometría con caño simple y 2
pulgadas para la geometría con caño doble.
La decisión de trabajar con un caño con costura de acero al carbón de alta
resistencia como un Schedule 40 surge debido a su bajo costo y gran resistencia a la
presión, pero además un factor de importancia que se tuvo en cuenta a la hora de elegir el
material fue la conductividad térmica que presenta el acero al carbón comparado con el
acero inoxidable. Este tipo de caños son los utilizados habitualmente en las calderas de
alta presión. El uso de estos materiales hace necesario mayores controles y
mantenimientos de los fluidos caloportadores, especialmente si se usa agua. Estos
tratamientos se realizan a fin de evitar corrosiones en los caños. El mantenimiento es el
mismo que se realiza en una caldera convencional.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 51
2.2.1. Caño simple
La primera geometría que se estudió fue la del colector con sistema de reflexión
secundaria y un solo caño. Para esta geometría se decidió trabajar con caños de 3.5
pulgadas de diámetro nominal y una apertura de colección de 24 cm.
Para esta figura se tomó como punto de partida para trazar los segmentos del
espejo reflector una recta a 45° tangente al caño absorbedor, de esta manera se garantiza
que el espejo concentrador no sombree los rayos provenientes de los espejos más
distantes. Se ensayaron varias construcciones comenzando con el primer segmento a
distintas alturas sobre esta recta, esto se realizó con el objeto de buscar la mejor
configuración ya que si se comienza con un punto muy alto, el espejo secundario (línea
verde de la figura 2.3) se separa demasiado del caño en su parte superior provocando
que se escapen rayos sin tocar el caño. Por otra parte si se comienza muy abajo sobre la
recta a 45° el espejo de reflexión secundaria termina a mitad de la parte lateral del caño
absorbedor, limitando la superficie de absorción del caño.
A continuación se muestra el esquema de construcción analizado para los rayos
provenientes de los espejos más cercanos (90°). En rojo se grafican los rayos incidentes
mientras que en azul los reflejados. En verde se grafican los segmentos del absorbedor y
en negro el caño absorbedor.
Figura 2.3: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de un caño con
espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de
90° con la horizontal

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 52
En la figura 2.4 se puede apreciar que cuando los rayos provienen desde los
espejos inferiores, es decir con un ángulo de 90°, son absorbidos con no más de una
reflexión a excepción del primer centímetro, los cuales se vuelven a reflejar en el espejo
parabólico antes de interceptar el caño central.
A continuación se muestra el esquema de reflexión para los rayos provenientes de
los espejos más distantes (45°).
Figura 2.4: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de un caño con
espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de
45° con la horizontal
La figura 2.4 muestra que cuando los rayos provienen de los espejos laterales, es
decir con ángulos de 45°, son absorbidos por el caño central en forma directa, o bien
reflejados una sola vez por el espejo parabólico antes de ser absorbidos
2.2.2. Doble caño
A continuación se estudió la geometría de doble caño, para esta geometría se
disminuyó el diámetro de los caños colectores a 2 pulgadas. En esta primera construcción
los caños fueron ubicados en contacto y se procedió a construir el espejo secundario
dejando una apertura de colección de 24 cm, figura 2.5.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 53
Figura 2.5: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño con
espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de
90° con la horizontal
En la figura 2.5 se grafica la mitad derecha de la geometría ya que la otra mitad es
simétrica. En la misma se puede apreciar que cuando los rayos provienen desde los
espejos inferiores, todos los rayos son absorbidos con no más de una reflexión a
excepción de los que se encuentran a 4 cm de distancia del extremo del espejo de
reflexión secundaria, los cuales se vuelven a reflejar en el espejo parabólico antes de
interceptar el caño central.
A continuación se muestra el esquema de reflexión para los rayos provenientes de
los espejos más distantes (45°).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 54
Figura 2.6: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caños con
espejo de concentración secundario cuando los haces de luz provienen con un ángulo de
45° con la horizontal
En la figura 2.6 se puede apreciar que al igual que para el caso anterior, cuando
los rayos provienen de los espejos laterales, es decir con ángulos de 45° los rayos son
absorbidos por el caño central en forma directa o bien reflejados una sola vez por el
espejo parabólico antes de ser absorbidos
Al igual que en la configuración con caño simple para esta configuración se busca
que todos los rayos lleguen a los caños con no más de una reflexión.
2.2.3. Doble caño con espejo triangular en el medio
La tercer opción estudiada fue la configuración con dos caños de 2 pulgadas cada
uno separados una distancia de 4 cm entre ellos. De esta manera se busca aumentar la
superficie de colección directa de la radiación. Entre ambos caños se colocó un espejo
triangular que trabaja casi exclusivamente con los espejos reflectores centrales de CLF. Al
igual que los casos anteriores se tomo una apertura de colección de 24 cm. Esta
configuración es un híbrido entre un absorbedor con concentración secundaria y uno de
colección directa. A continuación se muestra el esquema de reflexión para los rayos a 90°

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
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Figura 2.7: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caños
separados 4 cm con espejo triangular entre ambos y espejo de concentración secundario
cuando los haces de luz provienen con un ángulo de 90° con la horizontal
En la figura 2.7 se puede apreciar que cuando los rayos provienen desde los
espejos inferiores, es decir con un ángulo de 90°, todos los rayos son absorbidos con no
más de una reflexión evitando así una segunda reflexión antes de ser absorbidos. De esta
manera se mejora la eficiencia óptica de esta configuración respecto de las anteriores.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 56
Figura 2.8: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de dos caño
separados 4 Cm con espejo triangular entre ambos y espejo de concentración secundario
cuando los haces de luz provienen con un ángulo de 45° con la horizontal
La figura 2.8 muestra que al igual que para el caso anterior, cuando los rayos
provienen de los espejos laterales, es decir con ángulos de 45° los rayos son absorbidos
por los caños en forma directa en su totalidad.
En esta configuración se puede apreciar que al separar los caños cierta distancia
abarcan una mayor superficie de la boca de colección del absorbedor aumentando así la
colección directa. Por otra parte se puede ver que los caños no son iluminados en su
totalidad en esta configuración ya que la parte superior de los mismos se encuentra sin
iluminar un cuarto de la caño, esto puede ser beneficioso en el caso de trabajar con
fluidos con cambio de fase ya que puede evitar sobrecalentamiento al no calentar la zona
donde el fluido se encuentra en su fase gaseosa.
2.2.4. Cinco caños
Por último se trabajó con cinco caños de una pulgada espaciados 1.26 cm entre sí
completando un apertura de colección de 22 cm. De esta manera se buscó aumentar al
máximo la colección directa de la radiación proveniente de los espejos del CLF y evitar el
sombreado entre los caños garantizando que más de la mitad inferior del los caños se
encuentren iluminadas. Al igual que para el caso anterior se cubrió la distancia entre los
caños con espejos triangulares que trabajan casi exclusivamente con los espejos
reflectores centrales de CLF, figura 2.9

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
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Figura 2.9: Gráfico realizado en Cabri para analizar la un absorbedor de cinco caños
separados 1.26 Cm con espejo triangular entre ambos y sin espejo de concentración
secundario.
En este gráfico se muestran dibujados en rojos los rayos incidentes mientras que
en amarillo los reflejados, en azul se esquematizan los espejos reflectores y en negro los
caños del absorbedor. Como se puede apreciar los rayos que provienen de los espejos
laterales (45° con la vertical) son absorbidos directamente por los caños ya que la
distancia de separación se tomó teniendo en cuenta una recta a 45° que sea tangente a
ambos caños. Para dimensionar la altura de los triángulos entre caños, se tuvo en cuenta
que los mismos reflejen siempre sobre los caños tomando como caso extremos cuando
los rayos provienen del espejo central (90° con la horizontal) y llegan al vértice del
triangulo. En esta configuración al igual que la anterior la parte superior de los caños no
está iluminada evitando también el sobrecalentamiento cuando se trabaja con fluidos
caloportadores con cambio de fase como es el caso del agua.
2.2.5. Comparación entre las distintas configuraciones
Para poder hacer una comparación entre las diferentes configuraciones se
evaluaron los porcentajes de captación de radiación directa para dos ángulos de
incidencias: 90° y 45°. En la tabla que se muestra a continuación se puede apreciar los
resultados.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 58
90°(%) 45°(%)
Caño simple 37 26
Doble caño 50 60
Doble caño con espejo
triangular en el medio
50 90
Cinco caños 76 100
Tabla 2.1: porcentajes de captación de radiación directa para dos ángulos de incidencias:
90° y 45°.
En la tabla 2.1, si bien el porcentaje de captación de radiación directa para la
configuración de doble caño con espejo triangular en el medio es elevada, la
configuración de cinco caños es la que presenta un mayor porcentaje de captación de
radiación directa. Este factor, sumado al hecho que se trabaja con un fluido caloportador
con cambia de fase, resulta una razón suficiente para elegir la configuración de cinco
caños para la construcción de un prototipo. Dado que el absorbedor tiene menor
posibilidad de sobrecalentamientos si los caños se calientan desde su parte inferior.
Este estudio sirvió en la elección del modelo de 5 caños para ser utilizado en la
construcción de un absorbedor de 6 m de largo que se instaló en el Campo experimental
de INENCO y uno más pequeño de 1,4 m para ensayos térmicos.
2.3. Evaluación de las pérdidas térmicas
El monitoreo térmico del prototipo desarrollado en la presente tesis estuvo
orientado a la evaluación de las pérdidas de calor desde los caños fluido-portadores (el
absorbedor) hacia el ambiente exterior, a distintas temperaturas de trabajo. El
conocimiento de las pérdidas de calor a través de la estructura que rodea a los caños del
absorbedor es de suma importancia al momento de determinar la eficiencia instantánea
del sistema colector.
Se construyó un prototipo del absorbedor de 1,4 m de largo conteniendo 5 caños
de acero de una pulgada (diámetro nominal) recubiertos de pintura negra de alta
temperatura (emitancia 0,94). A excepción de la longitud, todas las demás dimensiones
del prototipo coinciden con las del colector real. En cuanto a los materiales, se respetaron
los tipos, calidades y espesores reales. La cavidad que rodea a los caños posee aislación
térmica para alta temperatura de 12 cm de espesor en sus caras laterales y en la cara
superior. Las tapas de los extremos del prototipo están aisladas con el mismo material
pero con un espesor de 6 cm. Cierra la cavidad por el lado inferior una cubierta
transparente de Maylar según se aprecia en la figura 2.10 En el interior de cada caño se
instaló una resistencia eléctrica de 80 Ω (que disipa ~ 600 W a 220 V) a fin de calentarlos
hasta las temperaturas de trabajo de interés, simulando así el aporte energético del sol
proveniente del sistema de espejos concentradores. Las cinco resistencias de 80 Ω están

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 59
conectadas en paralelo y son alimentadas con una corriente variable proporcionada por
un divisor de tensión de 6 rangos conectado en serie a la de red eléctrica.
Figura 2.10: Fotografía del equipo instalado en el laboratorio para simular el
comportamiento térmico del absorbedor.
2.3.1. El equipo de monitoreo
A fin de evaluar detalladamente la transferencia de calor en estado estacionario
desde los caños del absorbedor hacia el ambiente del laboratorio, se instalaron 11
termocuplas tipo K en la sección central del prototipo según se observa en la figura 2.11
Las termocuplas T1 a T5 miden las temperaturas superficiales de los caños. Las
termocuplas T6 y T7 las temperaturas de las caras aluminizadas interior en dos posiciones
a fin de evaluar la existencia de gradientes térmicos sobre ella ya que el aire más caliente
se encuentra junto a los caños y el más frío junto a la cubierta de Mylar (Mylar 2011).
Sobre la cara exterior, las termocuplas T8 y T9 censaron la temperatura de la carcasa de
chapa galvanizada en puntos ubicados sobre las perpendiculares de T7 y T6
respectivamente a fin de evaluar el gradiente térmico a través del aislante en las
secciones inclinadas del absorbedor. La termocupla T10 midió la temperatura de la parte
superior externa del absorbedor a fin de evaluar el gradiente térmico a través del aislante
en el sector más caliente del prototipo. La termocupla T11 registró la temperatura de la
cubierta transparente de Mylar, y las termocuplas T13 y T14, las de las caras exterior e
interior de la tapa ubicada en uno de los extremos del absorbedor. Para medir la
temperatura ambiente se empleó una termocupla tipo K instalada a media altura dentro

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 60
del laboratorio (T12). Las señales de T1 a T12 fueron registradas y almacenadas en un
datalogger digital marca DIGISENSE a intervalos de 5 minutos durante un período de 6
horas en cada ensayo. A fin de evaluar la transferencia de calor radiativa entre el piso y la
cubierta de Mylar, se censó la temperatura del piso de la habitación debajo del prototipo
mediante un termómetro digital manual Thermocouple Thermometer FLUKE 54 II Con
este instrumento se midieron también las temperaturas T13 y T14.
Figura 2.11: Sección transversal del absorbedor con sus dimensiones y la ubicación de
las termocuplas tipo K.
La potencia disipada por las cinco resistencias eléctricas instaladas en el interior
de los caños fue medida con una pinza amperométrica determinándose en cada ensayo la
tensión y la corriente bajo condiciones de estado estacionario.
A fin de analizar la distribución de la temperatura del aire dentro de la cavidad, se
midió su valor sobre la vertical central del prototipo a separaciones regulares de 2 cm,
desde la cubierta de Mylar hasta llegar cerca de los caños (Figura 3-b).
2.3.2. Resultados del monitoreo
Se realizaron 6 ensayos en laboratorio consistentes en el calentamiento del
prototipo con los caños cubiertos con pintura negra de alta temperatura (emitancia 0.94).
Calentando los caños mediante la potencia disipada por las resistencias eléctricas, desde
la temperatura ambiente del laboratorio, hasta alcanzar el estado estacionario. La variable
distintiva entre los ensayos fue la potencia eléctrica suministrada al sistema para lograr
distintas temperaturas finales en los caños. En la Tabla 2.3 se presentan los valores de
potencia eléctrica disipada (Qd), temperaturas ambiente dentro del laboratorio (Tamb),
temperatura del piso (Tpiso), temperaturas medidas de los caños alcanzadas (Tcaño n°) y
temperatura promedio de los 5 caños (Tcaño).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 61
Nº Test Qd (W)
Tamb
(C)
Tpiso (
(C)
Tcaño, 1
(C)
Tcaño, 2
(C)
Tcaño, 3
(C)
Tcaño, 4
(C)
Tcaño, 5
(C)
Tcaño
(C)
1 1130 40.2 31.8 281.8 284.5 290.0 287.3 280.3 284.8
2 825 30.3 23.6 234.1 238.9 248.2 238.3 228.2 237.5
3 580 27.6 22.7 195.6 199.6 207.3 199.1 190.9 198.5
4 430 29.7 20.7 169.7 173.3 179.9 172.9 165.1 172.2
5 360 25.6 20.0 153.7 157.1 162.9 156.5 149.7 156.0
6 180 37.8 28.9 108.7 111.3 115.0 111.9 106.5 110.7
Tabla 2.2: Resultados de potencia y temperaturas para los ensayos con recubrimiento de
pintura negra en los caños del absorbedor
2.3.3. Determinación del coeficiente global de pérdida
Dado que en estado estacionario la potencia eléctrica disipada, Qd, debe ser igual
a la energía total transferida desde los caños a temperatura media, Tcaño, hacia el exterior
que se encuentra a temperatura ,Tamb, graficando Qd vs. (Tcaño - Tamb) se puede estimar el
coeficiente global de pérdida de calor del absorbedor.
En la Figura 2.12 se grafica Qd vs. (Tcaño - Tamb) para el absorbedor. Se observa
que los valores se pueden aproximar mediante una ecuación exponencial cuya expresión
es
( ) )( 0.245 1.5184 WTT=Q ambientecañod − ; R2 = 0.98 (2.1)
Esta expresión es validad para el rango comprendido entre 110 C < Tcaño<285 C.
y = 0.245x1.5184
R² = 0.9853
0
200
400
600
800
1000
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Q
d
(W
)
(Tc - Ta) (°C)
Figura 2.12: Potencia eléctrica disipada Qd versus la diferencia entre la temperatura
promedio de los caños y la temperatura ambiente.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 62
El coeficiente global de perdida UL en W/m2K referido a la superficie del
absorbedor se calcula a partir de la siguiente expresión (Incropera y DeWitt, 1999)
( ) g184
g185
g183
g168
g169
g167
− Km
W

2
ambtunotubo
d
L TTA
Q=U (2.2)
Donde Acaño es el área total del absorbedor (0,73m2 para el prototipo ensayado) en
la figura 2.13 se grafica el coeficiente de pérdidas térmicas UL estimado a partir de la
ecuación 2.2 vs la diferencia entre la temperatura promedio de los caños y la temperatura
ambiente. Los valores obtenidos van desde 3.39 W/m2K hasta 6.35W/m2K. Al igual que
los resultados anteriores la curva que mejor ajusta el coeficiente global de perdidas
térmicas sigue un ajuste potencial, lo que está en consonancia con Singh et al (Singh et
al, 2010), Khan (Khan, 1999) and Negi et al. (Negi et al, 1989), que afirman que la curva
de potencia se puede atribuir a la dominancia de las perdidas radiativas, las cuales crecen
de manera significativa con la temperatura. La curva obtenida se puede ver en la figura
2.13.
( )
g184
g185
g183
g168
g169
g167
−
Km
WTT=U apipeL 2
5184.0357.0 ; R2=0.89 (2.3)
Esta expresión, al igual que la anterior, es válida para el rango comprendido entre
110 C < Tcaño<285 C.
y = 0.3366x0.5184
R2 = 0.8862
0
1
2
3
4
5
6
7
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
(Tpipe - Tambient) (K)
U L
(W
/m
2 K
)

Figura 2.13: Coeficiente de pérdida térmica UL calculado desde la ecuación 2.2 versus la
diferencia entre la temperatura promedio de los caños y la temperatura ambiente.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 63
2.3.4. Distribución de temperaturas en el absorbedor
En adelante se analizan la distribución de temperaturas en el absorbedor, este
análisis tiene el fin de conocer en detalle el funcionamiento del equipo y poder conocer los
coeficientes de transferencias que nos ayuden a simular mejor el funcionamiento del
equipo. En la figura 2.14 se grafican los valores de temperatura superficial alcanzados por
los 5 caños.
90
140
190
240
290
340
0 1 2 3 4 5 6
Te
m
pe
ra
tu
ra
(°
C)
N° del caño

Figura 2.14: Valores de temperatura superficial de los caños y distribución en altura de la
temperatura del aire interior según la potencia eléctrica disipada en cada ensayo.
Se observa en la figura 2.14 que el patrón espacial de distribución de temperaturas
de los caños se repite sistemáticamente: el caño central es el más caliente y el del
extremo derecho el más frío de los cinco. La diferencia porcentual entre la máxima y la
mínima temperatura de los caños en cada uno de los ensayos es del 8,8 %. Dado que no
fue posible garantizar que cada resistencia disipase la misma potencia, es aventurado
aseverar que el caño central se calentó más por tener la menor pérdida neta de calor
debido a su posición privilegiada dentro del conjunto. De haber sido disipada la misma
potencia en cada una de las 5 resistencias, efectivamente el caño central habría sido el
más caliente, disminuyendo la temperatura superficial de los caños a medida que su
posición se acerca al borde (caños 1 y 5). Se observa, sin embargo, que el balance neto
de energía es distinto para los 2 caños de los extremos ya que sus temperaturas difieren
entre sí. Esto puede deberse, entre otras cosas, a que sus respectivas resistencias no
disiparon la misma potencia o a diferencias en el nivel de aislamiento térmico de las
paredes adyacentes a cada uno.
En la figura 2.15 se grafican la distribución en altura de la temperatura del aire de
la cavidad de acuerdo a la potencia disipada por las resistencias en cada ensayo.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 64
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
30 55 80 105 130 155 180
Al
tu
ra
d
es
de
e
l M
yla
r (
cm
)
Temperatura del aire de la cavidad (°C)
1130 W
825 W
580 W
430 W
360 W
180 W
Figura 2.15: Valores de temperatura superficial de los caños y distribución en altura de la
temperatura del aire interior según la potencia eléctrica disipada en cada ensayo.
Se puede observar en la figura 2.15 que, como era de esperar, el aire dentro de la
cavidad se encuentra estratificado con un gradiente térmico más intenso cuanto mayor es
la potencia disipada o, lo que es equivalente, cuanto mayor es la temperatura superficial
de los caños. Entre los 4 y 10 cm de altura el gradiente térmico es débil, indicando la
posible existencia de una zona convectiva en esta porción de la cavidad. Para confirmar
esta posibilidad es necesario realizar nuevas mediciones, sobre todo en las posiciones
comprendidas entre 0 y 6 cm ya que las temperaturas registradas sobre la cubierta
transparente son sistemáticamente superiores a las registradas a 2 cm de ella, lo cual no
puede explicarse convenientemente mediante análisis fenomenológicos.
En la figura 2.16 se grafican las temperaturas superficiales medidas en el prototipo
y las del laboratorio, en función de la temperatura promedio de los caños alcanzada en
cada ensayo. Se han identificado tres grupos de temperatura diferenciados por el símbolo
de sus curvas representativas: las temperaturas censadas en el interior de la cavidad se
grafican con rombos, las de la carcasa exterior con triángulos y las temperaturas del
laboratorio con cuadrados.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 65
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Te
m
pe
ra
tu
ra
(°
C
)
Temperatura promedio de los caños(°C)
T6
T7
T8
T9
T10
T11
T12
T13
T14
Piso
Figura 2.16: Valores de temperatura en estado estacionario medidos en el prototipo
durante los 6 ensayos en función de la temperatura superficial promedio de los caños
pintados de negro.
Se observan claras diferencias entre los tres grupos. En general, todas las
temperaturas del prototipo aumentan linealmente con la temperatura media de los caños,
pero mientras las interiores lo hacen con una pendiente promedio del 53,8 %, las
exteriores lo hacen con una pendiente promedio del 16,8 %. Este comportamiento en
estado estacionario es típico de un sistema liviano aislado térmicamente del exterior que
posee una generación interna de calor. Las temperaturas del laboratorio (aire interior y
piso) fueron inferiores a las del prototipo en todos los ensayos, denotando muy poca
influencia del estado térmico del prototipo sobre sus valores ya que la pendiente promedio
de crecimiento fue sólo del 5,3 %.
Comparando las curvas de las termocuplas T6 y T7 se comprueba la existencia de
un fuerte gradiente térmico ascendente en la superficie de aluminio pulido del costado
inclinado del absorbedor, que coincide con la distribución en altura de la temperatura del
aire dentro de la cavidad. La temperatura interior de la tapa del extremo del absorbedor
(T14) fue medida a una altura intermedia entre las de T6 y T7, de allí que su valor esté
comprendido entre los de ellas. Dado que la temperatura de la cubierta de Maylar es
superior a la de la capa de aire que se encuentra sobre ella (ver figura 2.16), su
calentamiento proviene casi exclusivamente del intercambio radiativo IR con los caños,
directa e indirectamente por los reflejos producidos en las caras de aluminio pulido
inclinadas. Identificando a los caños con el subíndice 1, a la cubierta con el 2 y a la
superficie pulida con el 3, si E1 es la potencia emisiva de los caños y E3 la de una cara de
aluminio inclinada, la energía que recibe la cubierta por m2 en el rango IR es la suma de
tres aportes, uno de valor F12E1A1/A2 y dos de valor F32 (E3+g5453F13E1)A3/A2, siendo g5453 la

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 66
reflectancia infrarroja del aluminio pulido, A1 a A3 las áreas de cada superficie y F12, F13 y
F32 los factores de forma correspondientes. La cantidad (E3+g5453F13E1) se denomina
“radiosidad” de la superficie aluminizada.
En cuanto a las temperaturas de la carcasa exterior, no se observan grandes
diferencias entre las del costado inclinado (T8 y T9) y el techo (T10), siendo la más alta de
todas la de la tapa del extremo (T13) debido a que el espesor del aislamiento térmico en
esta zona es la mitad del que existe en el resto del prototipo.
2.3.5. Balance de energía dentro de la cavidad
En una cavidad cerrada compuesta por N superficies en estado térmico
estacionario, la cantidad de energía que se debe suministrar a la i-ésima superficie (qi)
para mantener su temperatura constante en un valor Ti es:
( ) ( ) ( )extiiiaiiiiib
i
ii
i TTAUTTAhJE
Aq −+−+−
−
= ,)1( ε
ε
(2.4)
Donde g304i es la emisividad infrarroja, Ai el área superficial, Eb,i la potencia emisiva de
cuerpo negro a la temperatura Ti y Ji la radiosidad de la superficie, hi el coeficiente de
transferencia de calor por convección, Ta, la temperatura del aire interior, Ui la
transmitancia térmica global de la pared de la cavidad y Text la temperatura superficial
exterior de la i-ésima superficie.
El primer sumando es el balance neto de energía intercambiada por radiación con
el resto de las superficies de la cavidad, el segundo sumando es la tasa de transferencia
de calor por convección hacia el aire interior y el último sumando corresponde a la tasa de
transferencia de calor por conducción hacia el exterior a través de las paredes de la
cavidad.
El flujo neto de energía intercambiada por radiación térmica con las restantes
superficies de la cavidad puede escribirse como (Incropera y DeWitt, 1990):
( ) ( )ji
N
j
jiiiib
i
ii JJFAJEA −=−
−
g166
=1
,,)1( ε
ε
(2.5)
Esto constituye un sistema de N ecuaciones lineales cuyas N incógnitas son las
radiosidades de las superficies. Para resolverlo deben calcularse N2 factores de vista Fij
pero, haciendo uso de sus relaciones de aditividad y reciprocidad, sólo es preciso calcular
N factores de vista distintos. La potencia emisiva de cuerpo negro a temperatura Ti es
σTi4, con g305= 5,67 10-8 W/m2 K4 y Ti en K.
Particularizando el cálculo para la cavidad del absorbedor estudiado, N = 6, se
debe resolver un sistema de 6 ecuaciones con 6 incógnitas y 30 factores de vista ya que
Fii = 0 ∀ i = 1, 2,...,6 en esta geometría. El sistema queda expresado de la siguiente
forma:

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 67
(2.6)
En este sistema T1 corresponde a la temperatura promedio de los 5 caños, T2 y T3
a las superficies laterales inclinadas, T4 y T5 a las dos tapas y T6 a la cubierta de Mylar.
Los factores de vista fueron calculados mediante expresiones que figuran en Incropera y
DeWitt (1990). Como se indicara anteriormente, durante los ensayos se midieron
solamente las temperaturas de una cara inclinada lateral y de una tapa del extremo del
prototipo. En virtud de la simetría geométrica del aparato, esos valores fueron asignados
también a la otra cara inclinada (T3) y a la otra tapa (T5), respectivamente. El valor de T2
fue obtenido promediando los valores medidos por las dos termocuplas instaladas sobre
la cara inclinada aluminizada. En la Tabla 2.3 se presentan los valores de radiosidad
obtenidos mediante la resolución del sistema de ecuaciones (2.6).
Potencia
(W) J1 (W/m
2) J2 (W/m2) J3 (W/m2) J4 (W/m2) J5 (W/m2) J6 (W/m2)
180 1.196,37 673,32 673.32 830,45 830,45 662.98
360 1.858,36 862,10 862,10 1.161,76 1.161,76 839,80
430 2.153,09 960,23 960,23 1.319,65 1.319,65 934,08
580 2.704,87 1.132,44 1.132,44 1.605,89 1.605,89 1.099,18
825 3.710,67 1.445,48 1.445,48 2.127,36 2.127,36 1.398,53
1130 5.230,20 1.059,51 1.059,51 2.312,41 2.312,41 977,12
Tabla 2.3: Valores de radiosidad para las paredes interiores del absorbedor según la
potencia eléctrica disipada.
Reemplazando los valores de radiosidad en las ecuaciones (2.6), se pueden
obtener los coeficientes convectivos interiores que permiten cerrar los balances
energéticos en cada superficie teniendo en cuenta que q1 = Qe (potencia entregada para
cada ensayo), q2 a q6 = 0 ya que en estas superficies no existen fuentes de calor; U1 = U2
= U3 = 0,386 W/m2°C y U4 = U5 = 1,1 W/m2°C. El coeficiente U6 es el complexivo entre
)1()1(
1
)1()1(
1
)1()1(
1
)1()1(
1
)1()1(
1
)1()1(
1
6
4
66
6
6
565464363262161
5
4
55
6565
5
454353252151
4
4
44
6465454
4
343242141
3
4
33
6365354343
3
232131
2
4
22
6265254243232
2
121
1
4
11
6165154143132121
1
ε
σε
ε
ε
σε
ε
ε
σε
ε
ε
σε
ε
ε
σε
ε
ε
σε
ε
−
=
−
+−−−−−
−
=−
−
+−−−−
−
=−−
−
+−−−
−
=−−−
−
+−−
−
=−−−−
−
+−
−
=−−−−−
−
TJJFJFJFJFJF
TJFJJFJFJFJF
TJFJFJJFJFJF
TJFJFJFJJFJF
TJFJFJFJFJJF
TJFJFJFJFJFJ

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 68
convección y radiación térmica desde la cubierta de Mylar hacia el aire y el piso del
laboratorio respectivamente, referido a la diferencia de temperaturas entre la cubierta y el
aire del laboratorio. Se calcula mediante:
( )
( )lab
p
ext TT
TT
hU
−
−
+=
6
44
66
6
σε
(2.7)
Donde hext es el coeficiente convectivo sobre el lado exterior de la cubierta, Tp la
temperatura del piso y Tlab la temperatura del aire del laboratorio. En esta expresión, cuya
forma y naturaleza son similares a la de la ecuación (2.4), se consideró que para el
intercambio radiativo, el piso constituye una superficie muy extensa comparada con las
dimensiones de la cubierta. La temperatura del aire interior, Ta, se obtuvo promediando
los valores medidos a diferentes alturas dentro de la cavidad (Figura 3-b). La temperatura
exterior de la carcasa en el lateral inclinado se obtuvo promediando los valores medidos
por las dos termocuplas instaladas para detectar gradientes térmicos sobre ella. Los
coeficientes convectivos internos de la cavidad y externos de la cubierta transparente
figuran en la Tabla 2.4.
Potencia
(W) h1 h2 h3 h4 h5 h6 hext U6
180 0,10 3,3 3,3 1,75 1,75 1,65 0,9 7,10
360 0,12 3,6 3,6 1,82 1,82 1,80 0,10 7,39
430 0,12 3,20 3,20 2,49 2,49 1,91 0,10 8,12
580 0,30 3,20 3,20 2,81 2,81 3,66 0,34 8,22
825 0,35 3,02 3,02 2,43 2,43 4,13 0,31 9,17
1130 0,40 3,00 3,00 2,50 2,50 4,45 0,33 9,25
Tabla 2.4: Valores de los coeficientes convectivos internos de la cavidad y externos de la
cubierta transparente en (W/m2C).
Según se observa en la tabla, el coeficiente convectivo sobre los caños, h1, es
inferior a la unidad lo que avala la evidencia experimental de que el mecanismo de
transferencia de energía en la región cercana a los caños es la conducción de calor en un
medio gaseoso estratificado. Una situación similar ocurre por debajo de la cubierta ya que
todos los valores de hext resultaron muy bajos. Sin embargo, no debe perderse de vista el
hecho de que estos ensayos fueron realizados en un laboratorio cerrado sin circulación
forzada del aire interior y, por lo tanto, en la realidad el valor de hext estará fuertemente
influenciado por el viento del lugar, resultando muy poco probable la estratificación del
aire por el lado exterior de la cubierta. Los valores de los restantes coeficientes
convectivos coinciden con los correspondientes al movimiento del aire a baja velocidad.
Como era de esperar, el coeficiente U6 aumenta al aumentar la temperatura de la cubierta

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 69
debido al incremento en la energía térmica irradiada al piso. Sin embargo, los coeficientes
convectivos interiores no presentan un patrón de variación definido y por lo tanto no
deben considerarse como coeficientes fenomenológicos de origen físico sino más bien
como coeficientes de ajuste de origen algebraico que engloban posibles errores
cometidos en la evaluación de las propiedades térmicas y ópticas de los materiales, de las
áreas de transferencia, de los factores de forma, la no consideración de los puentes
térmicos existentes en la estructura de la carcasa, etc.
La tasa de pérdida de calor a través de cada superficie de la envolvente del
absorbedor se determina mediante una expresión del tipo qp,i = Ui Ai (Ti – Text,i),
debiéndose cumplir bajo condición de estado estacionario que:
( )
g166
=
−=
6
1
,
i
iextiiie TTAUQ (2.8)
En la Tabla 2.5 se presentan los valores de las tasas de pérdida de calor a través
de la carcasa aislada térmicamente (Qc) y de la cubierta de Maylar (Qm) (obtenidos a partir
de la ecuación (2.8) en función de la potencia disipada por las resistencias en cada
ensayo. En ella se incluyen los porcentajes de estas pérdidas respecto de la tasa total de
transferencia.
Qe (W) Qc carcasa (W) % de Qc Qm cubierta (W) % de Qm
180 42,4 23 138 77
360 50 14 310 86
430 59,5 14 370,5 86
580 74 13 506 87
825 98,2 12 726,8 88
1130 116,5 8 1034,6 92
Tabla 2.5: Tasas de pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor. Valores
absolutos y porcentuales.
Según se observa en la tabla 2.5, dentro del rango de temperatura de caños
estudiado (110 a 280 C) y bajo condiciones de operación en estado estacionario con aire
exterior en calma, aproximadamente el 87 % de la pérdida de calor desde el absorbedor
al ambiente se produce a través de la cubierta transparente. Bajo condiciones reales de
funcionamiento, con el viento enfriando la cubierta, el coeficiente U6 será
significativamente más grande en su componente convectiva y la tasa de transferencia de
calor a través de la cubierta aumentará de acuerdo al balance térmico global del
absorbedor con su entorno.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 70
2.4. Simulación térmica de un absorbedor lineal mediante SIMUSOL
A continuación se realizó una simulación numérica computacional cuyo objetivo
fue describir el comportamiento térmico del absorbedor, para la misma se utilizo el
programa SIMUSOL (Alias y Saravia, 2003)
El SIMUSOL es un programa que calcula numéricamente el funcionamiento
transitorio de distintos sistemas físicos, ya sea térmico, eléctrico, mecánico, con aire
húmedo o combinaciones de los mismos. El programa ha sido preparado por sus autores
usando diversos programas ya existentes y creando las interfaces necesarias en el
lenguaje PERL. Toda la programación se realiza bajo la licencia GPL que permite el uso
libre del SIMUSOL en el entorno de sistema operativo LINUX.
El SIMUSOL utiliza como base para realizar los cálculos un programa llamado
Sceptre, que evalúa circuitos eléctricos y los otros sistemas, como los térmicos, se
estudian utilizando la equivalencia entre los dos tipos de sistemas. El Sceptre fue creado
en los años 70 para su uso en computadoras grandes de tipo “mainframe”, pero en los 90
el Prof. Novender (Novender, 1998) lo adaptó para su uso con el sistema operativo Linux
en las minicomputadoras de uso generalizado en la actualidad. El Sceptre ha sido
preparado en lenguaje Fortran. Es un programa potente que permite su aplicación a casos
complicados que tienen en cuenta diversos aspectos como ser los circuitos no lineales, el
uso de modelos, etc.
Para la entrada de datos se utiliza una interfaz gráfica que permite una interacción
con el programa, pudiendo entrar los datos necesarios para su funcionamiento en forma
sencilla y realizar cambios con facilidad. A estos efectos se utiliza el programa Dia que
permite el trazado de elementos geométricos y segmentos que los unen formando
diagramas. También es capaz de permitir la incorporación de los íconos que sean
necesarios para representar los sistemas térmicos.
A continuación, en la figura 2.18, se muestran algunos de los iconos más usados a
la hora de construir analogías térmicas-eléctricas
Figura 2.18: Símbolos análogos Térmicos-Eléctricos usados por SIMUSOL.
Nodos de temperatura: Representan las temperaturas de los distintos cuerpos que
intervienen en la simulación, esta temperaturas pueden ser fijas o variar. En el caso que
se quiera considerar un cuerpo con temperaturas fijas se debe acoplar este nodo a una

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 71
fuente de temperatura, de lo contrario el nodo debe asociarse a una masa térmica que
variara su temperatura en función de la energía que reciba.
Resistencias térmicas: los intercambios de calor entre los nodos de temperatura se
simulan mediante el uso de resistencias térmicas que dependiendo de la naturaleza del
intercambio podrán ser conductivas, radiativas o convectivas
Resistencia conductiva: )(/ 12 TTLAkq −×=
Donde K es la conductividad térmica del material, A es el área transversal y L el espesor
del material.
Resistencia radiativa: 41
4
2
7 )15,273()15,273(1087,6 +−+×××= − TTAfeq
Con e la emitancia de la superficie y f el factor de forma
Resistencia convectiva: )( 12 TTAhq −×=
Donde h es el coeficiente de intercambio convectivo
Flujo de Calor o Masa: Se puede simular flujos de calor o másicas mediante flujos
másicos o de energía, los cuales ingresan al balance directamente como una energía
transferida al nodo donde sea aplicado.
Modelo: Sceptre permite utilizar modelos que pueden haber sido definidos con
anterioridad. Cada instancia de un modelo se identifica con una T seguida de un
identificador propio.
SIMUSOL ha copiado de Sceptre la idea de utilizar modelos pero no utiliza esa
capacidad de Sceptre; simplemente sustituye cada instancia de un modelo según su
definición.
Gráficos: Por último se utiliza el programa Gnuplot para presentar los resultados
en forma gráfica. Los tres programas trabajan en forma conjunta mediante un conjunto de
interfaces preparadas en Perl y se han diseñado un conjunto de herramientas que
permiten el control de los datos que se ingresan y la ejecución de distintas opciones que
facilitan el uso del programa.
El modelo del absorbedor se realizó tomando como punto de partida las medidas
experimentales realizadas, descriptas anteriormente. Tanto los datos experimentales
como los simulados corresponden al estado estacionario. Las variables de entrada son la
potencia entregada y la temperatura ambiente, mientras que las variables de ajuste son
los coeficientes convectivos internos y externos. Se obtuvieron resultados de la simulación
con SIMUSOL para distintas potencias de entrada y se los compara con los resultados
experimentales.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 72
En la Figura 2.19 se muestra un esquema del absorbedor simulado, con sus
correspondientes dimensiones, y los puntos ingresados como “nodos” en SIMUSOL.
Estos nodos coinciden en su gran mayoría con la ubicación de los sensores que se
utilizaron en el monitoreo experimental. En el esquema de la Figura 2.19 se reemplazaron
los caños por una placa plana, tal como se ingresó dicha superficie en SIMUSOL. El
prototipo, de 1,4 metros de longitud, cuenta con aislación térmica en toda su envolvente,
excepto en la ventana de Mylar por donde ingresa la radiación solar. Tanto los extremos
como los laterales y techo, están compuestos por una chapa de aluminio de alta
reflectancia (en su interior) y una chapa galvanizada (en el exterior), entre las que se
encuentra la aislación térmica (6 cm de lana cerámica y 6cm de fibra de vidrio). El
prototipo cuenta con sendas tapas en los extremos para evitar pérdidas térmicas
adicionales, con 6cm de aislación de lana cerámica.
Figura 2.19: Esquema del prototipo del absorbedor. Los puntos rojos indican los nodos de
temperatura incluidos en el modelo térmico de SIMUSOL.
2.4.1. Modelo térmico con SIMUSOL
El prototipo fue monitoreado para distintos valores de potencia de entrada (180W,
356W, 438W, 583W, 825W, 1130W). A fin de validar este modelo se utilizaron los datos
experimentales. Para realizar el ajuste de los datos medidos y simulados se seleccionó el
conjunto de medidas correspondiente a una potencia de entrada de 356W. Las variables
de entrada del modelo fueron la potencia de entrada y la temperatura ambiente exterior
(Tamb).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 73
Las variables ajustadas fueron las temperaturas superficiales externas e internas
(laterales: Tsd, Tsi, Ted, Tei; techo: Tsc; Mylar: Tp, Tsp), la temperatura de los caños (Tc)
y la temperatura del aire en el interior de la cavidad (Tai). Las variables de ajuste fueron
los coeficientes convectivos internos y externos.
Una vez ajustados los datos medidos y simulados para una potencia de 356W, se
corrió el modelo térmico obtenido para las restantes potencias de entrada con que se
trabajó experimentalmente, a fin de verificar si el conjunto de coeficientes obtenidos
permite describir el comportamiento térmico del prototipo en el rango de potencias
monitoreado.
La analogía eléctrico-térmica del prototipo realizada para SIMUSOL se muestra en
la Figura 2.20. La potencia entregada al sistema (flujo de calor) se simula mediante una
fuente de corriente (JeI) de intensidad 356W. La temperatura ambiente exterior es un
nodo a temperatura fija. Las superficies exteriores del absorbedor intercambian calor con
el nodo aire por convección y por radiación. Para simplificar el modelo se incluyó un único
nodo representativo de la temperatura del aire en la cavidad, el cual se conectó a los
caños a través de una resistencia conductiva y a los laterales y las tapas a través de
resistencias convectivas, cuyos coeficientes de k y h se detallan en los apartados
siguientes. El intercambio radiante entre los caños y las superficies interiores de la
cavidad se modelizó a través de resistencias radiativas. En el modelo se incluyeron
capacitores para tener en cuenta la acumulación térmica en los distintos materiales (si
bien cuando se analiza exclusivamente el estado estacionario estos capacitores no
influyen en el resultado, se los incluyó para futuros análisis del estado transitorio del
absorbedor). Los resultados presentados en este trabajo corresponden a un periodo de
simulación de 4.5 h a fin de asegurar que el absorbedor alcanzó el estado estacionario
(experimentalmente se encuentra que el absorbedor alcanza este estado en
aproximadamente 3.5 h).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 74
Figura 2.20: Analogía eléctrico-térmica para el prototipo de absorbedor.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 75
2.4.2. Hipótesis
Las hipótesis con que se trabajó para realizar la analogía eléctrico-térmica son las
siguientes:
1. Las propiedades térmicas del aire y de los materiales involucrados (conductividad
térmica, densidad y calor específico) son constantes.
2. El flujo de calor a través de los laterales y techo es unidimensional.
3. Los gradientes de temperatura a lo largo de los caños de recirculación son
despreciables.
4. Los caños se comportan como una placa plana negra de temperatura uniforme
(isoterma).
5. El aire en el interior de la cavidad tiene una temperatura uniforma. Se modeliza
mediante un único nodo, el cual intercambia calor con los caños (por conducción) y con
las superficies laterales y el Mylar (por convección).
6. No existen puentes térmicos en la tapa superior del absorbedor.
7. No existe contacto térmico entre las superficies laterales y la placa absorbedora.
8. El aire ubicado debajo de la superficie del Mylar está estratificado.
2.4.3. Desarrollo del programa
En SIMUSOL, las transferencias de calor por conducción, convección y radiación
se representan a través de las resistencias conductivas, convectivas y radiativas, cuyas
características más importantes se resumen a continuación:
Resistencias conductivas: la resistencia conductiva de la tapa superior y los
laterales del absorbedor se simularon considerando la resistencia equivalente de 6 cm de
aislación de fibra cerámica (conductividad térmica de 0.055 W/mC) y 6 cm de aislación de
lana de vidrio (conductividad térmica de 0.06W/mC). Las tapas de los extremos tienen 6
cm de aislación de fibra cerámica (k=0.055). Para el Mylar se consideró una conductividad
térmica de 0.9 W/mC.
Resistencias radiativas: las absortancias α y emitancias ε utilizadas fueron 0.95
para los caños (pintados de negro) y 0.85 para el Mylar. Debido a que los laterales son
brillantes, se considera que el intercambio radiativo más importante se produce entre la
superficie de los caños y el Mylar, despreciando el intercambio con los laterales (que
además de tener una muy baja emitancia, ε=0.04, tienen un factor de forma también muy
bajo, del orden de 0.086). En cuanto al intercambio radiante entre la superficie negra y el
Mylar, se considera un factor de forma F1-2=0.83 (Incropera y DeWitt, 1999). Debido a que
SIMUSOL realiza cálculos sólo para factores de forma iguales a la unidad, para superar
este inconveniente se calculó una emitancia ficticia ε’1, igualando la energía radiante
intercambiada por la superficie absorbedora negra (ε1=0.95, A1=0.22m2) y la superficie

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 76
inferior del Mylar (ε2=0.85, A2=0.712m2, F1-2=0.83) a la energía radiante intercambiada por
la superficie absorbedora negra (A1=0.22 m2) y la superficie inferior pero con factor de
forma igual a la unidad y emitancia ε’1 a determinar a partir de la ecuación:
)(
111
)( 4
1
4
21
'
1
22
2
12111
1
4
1
4
2
12 TTA
AFAA
TTQ −=
−
++
−
−
= σε
ε
ε
ε
ε
σ
(2.9)
Despejando ε’1 se encuentra:
22
12
121
1
'
1 )1(11
1
A
A
F ε
ε
ε
ε
ε
−
++
−
=
(2.10)
Para los valores considerados, la emitancia ficticia resulta ser ε’1=0.761.
Resistencias convectivas: En el interior de la cavidad, mediciones del perfil de
temperatura del aire realizadas previamente y presentadas en el apartado anterior
(Altamirano et al., 2009), permiten concluir que existe una fracción de aire que se
estratifica (aquella en contacto con los caños calientes) y una fracción que formaría loops
convectivos (en la parte inferior, en contacto con el Mylar). Este resultado es similar al
encontrado por Reynolds et al. (2009).
Debido a esta estratificación en la parte superior y a las celdas convectivas en la
parte inferior, los coeficientes convectivos internos se supusieron mayores para la
superficie interior del Mylar. De la misma manera, debido a que existe una estratificación
térmica del aire del local en contacto con el Mylar, se tomó un coeficiente convectivo bajo
para la superficie exterior del plástico. Para superficies horizontales con estratificación
ASHRAE (1985) y LBNL (2008) proponen un coeficiente convectivo de 0.948W/m2C,
mientras que para superficies horizontales con convección intensificada se propone un
valor de 4.04W/m2C. Se tomaron estos valores como punto de partida y se los varió hasta
encontrar el conjunto de coeficientes que mejor ajusta los datos experimentales. Este
conjunto de coeficientes se muestran en la Tabla 2.6.
Superficie negra
(conductos)
(W/m2K)
Laterales y
tapas
(W/m2K)
Superficie
inferior (Mylar)
(W/m2K)
Interior conductiva 2,5 6
Exterior 10 5 2
Tabla 2.6: Coeficientes convectivos interiores y exteriores utilizados en la simulación con
SIMUSOL.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 77
2.4.4. Resultados de la simulación con SIMUSOL
Los resultados de la simulación con SIMUSOL se muestran en las Figuras 2.21 y
2.22 para las distintas potencias de entrada con que se monitoreó el prototipo. La Figura
2.21 muestra los resultados experimentales y simulados para la temperatura de los
conductos, el plástico Mylar, el aire interior de la cavidad, los laterales interiores y
exteriores y el lado exterior del techo. Se observa que SIMUSOL reproduce
adecuadamente la relación lineal existente entre las temperaturas y la potencia entregada
(con pendientes diferentes según si las superficies son internas o externas). La diferencia
entre valores medidos y simulados se incrementa ligeramente al aumentar la potencia,
siendo los valores máximos del orden de los 7.7 C para el Mylar, 7.5 C para los
conductos, 4.4 C para el aire interior y 5.7 C para las temperaturas superficiales interiores.
Las series con mayor error corresponden a las temperaturas superficiales exteriores,
obteniéndose en cambio con muy buena aproximación la temperatura del aire en la
cavidad, las temperaturas de las superficies interiores (incluido el Mylar) y la temperatura
de los conductos.
0
50
100
150
200
250
300
150 350 550 750 950 1150
Te
m
pe
ra
tu
ra
(C
)
Potencia entregada (W)
Temperaturas experimentales y simuladas con SIMUSOL
Conducto Sim
Conducto
Mylar Sim
Mylar
Aire int Sim
Aire interior
Lateral int Sim
Lateral int
Lateral ext Sim
Lateral ext
Techo Sim
Techo
Figura 2.21: Temperatura experimentales (marcadores) y simuladas (líneas) mediante
SIMUSOL, para el conducto, el plástico Mylar, el aire interior de la cavidad, los laterales
interiores y exteriores y el lado exterior del techo.
El error relativo porcentual puede calcularse a partir de la temperatura simulada
con SIMUSOL (Tsimulada) y la correspondiente temperatura medida (Tmedida) mediante
la siguiente ecuación:
Error relativo (%) = (Tsimulada - Tmedida) x 100% / Tmedida (2.11)
La Figura 2.22 muestra el error relativo porcentual de los datos simulados con
SIMUSOL en función de la potencia de entrada. Se observa que las series con mayor
error corresponden a las temperaturas superficiales exteriores (laterales y techo), con
errores que llegan al 35%, mientras que el resto de las series se mantienen con errores

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 78
porcentuales menores al 10% en todo el rango de potencias evaluado. La serie con menor
error porcentual corresponde a la temperatura del aire interior.
-40%
-35%
-30%
-25%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
150 350 550 750 950 1150
Er
ro
r p
or
ce
nt
ua
l
Potencia (W)
Error relativo porcentual de los datos simulados
Conducto
Lateral int
Lateral ext
Mylar
Aire interior
Techo
Figura 2.22: Error relativo porcentual de la simulación con SIMUSOL para el conducto, el
plástico Mylar, el aire interior de la cavidad, los laterales interiores y exteriores y el lado
exterior del techo.
2.5. Conclusiones del capítulo
Se estudiaron 4 configuraciones geométricas posibles para el absorbedor,
estudiando su capacidad de absorción directa e indirecta del a radiación provenientes de
los espejos con diferentes ángulos de incidencia. De este estudio de se decidió a trabajar
con el modelo de 5 caños de 1 pulgada debido a que es la configuración con mayor
porcentaje de captación directa. Además esta configuración presenta la ventaja de evitar
puntos calientes al trabajar con fluidos con cambio de fase, esto se debe a que los caños
no se iluminan en su parte superior evitando sobrecalentamiento.
En este capítulo se realizó la evaluación experimental del comportamiento térmico
en estado estacionario de un prototipo de absorbedor solar lineal cuyo modelo a escala
real funciona acoplado a un CFL. Variando la potencia disipada por resistencias eléctricas
instaladas en el interior de los caños del absorbedor se obtuvieron 6 valores de
temperatura superficial en el rango 108 C < Tc < 281 C que simulan 6 posibles
temperaturas de funcionamiento del absorbedor real. Los ensayos fueron realizados en un
laboratorio sin climatización artificial ni movimiento forzado del aire en su interior.
Mediante los resultados obtenidos durante el monitoreo térmico del prototipo se
determinó, en primer lugar, su coeficiente global de transferencia de calor al entorno, Ug’’

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 79
en función de la diferencia de temperaturas entre los caños y el ambiente exterior. Este
coeficiente es de suma importancia para la determinación de la eficiencia de colección del
absorbedor y vale Ug’’(W/m2C)= 2,559 – 183,724 / (Tc - Ta) dentro del intervalo 108 C < (Tc
- Ta) < 281 C.
Las mediciones realizadas a distintas alturas entre la cubierta de Mylar y la
posición de los caños revelaron la existencia de un gradiente térmico estable en el aire
interior de la cavidad que se intensifica con el aumento de la temperatura superficial de
los caños. En la zona cercana a la cubierta este gradiente es muy débil indicando que,
posiblemente, existe una zona convectiva inferior cuya determinación fehaciente requiere
de nuevas y más detalladas mediciones realizadas a tal fin.
Mediante el planteo del balance energético en estado estacionario dentro de la
cavidad del absorbedor se determinaron las radiosidades de cada una de las superficies
integrantes de la cavidad y los coeficientes de transferencia de calor interiores y exteriores
con los cuales se puede estimar las pérdidas de calor a través de la envolvente del
absorbedor. Los resultados de este análisis indican que el coeficiente de transferencia de
calor en la región cercana a los caños es de tipo conductivo según corresponde al aire
estratificado mientras que los coeficientes convectivos sobre las caras aluminizadas y el
lado interior de la cubierta de Maylar corresponden al movimiento del aire a muy baja
velocidad (convección natural). Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los valores de
estos coeficientes provienen de un ajuste algebraico y no de una medición
convenientemente realizada. Por lo tanto, pueden englobar los errores cometidos en la
evaluación de algunos parámetros.
El coeficiente global de transferencia de calor desde la cubierta al ambiente
exterior se calculó como el complexivo entre convección y radiación térmica y con él se
pudo determinar que, bajo condiciones de estado estacionario con aire quieto rodeando al
absorbedor y en el rango de temperaturas estudiado, aproximadamente el 87 % de la
pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor se produce por la cubierta
transparente. Este porcentaje puede aumentar durante la operación del modelo a escala
real en función de las velocidades de viento que se registren en la zona donde sea
instalado.
Por otra parte se describe el modelo térmico del absorbedor lineal, para lo cual se
utiliza el programa SIMUSOL. Se utilizaron medidas experimentales para ajustar los
coeficientes de transferencia de calor en estado estacionario. Los resultados de la
simulación para distintas potencias de entrada muestran que SIMUSOL reproduce
adecuadamente la relación lineal existente entre las temperaturas y la potencia entregada,
con errores relativos porcentuales de alrededor del 10%, excepto para las temperaturas
superficiales exteriores (laterales y techo), con errores que llegan al 35%.
Los errores en las temperaturas superficiales exteriores los atribuimos a que en el
modelo no se tuvieron en cuenta los puentes térmicos entre las superficies interiores y
exteriores que se forman a través de la estructura de soporte y los puentes térmicos a
través de la cubierta de chapa.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 80

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 81
CAPITULO 3
En este capítulo se estudia en detalle las pérdidas térmicas en un absorbedor
horizontal invertido para un Concentrador Lineal tipo Fresnel mediante una simulación
computacional de elementos finitos. Este estudio es complejo, es por ello que se lo realiza
en partes, partiendo de una geometría más sencilla para un primer entendimiento y
después se modificó la misma para trabajar con configuraciones más reales, pero a su
vez más complejas de resolver. Para realizar la simulación numérica que se muestra en
este capítulo se utilizó el programa COMSOL Multiphisycs. De los resultados obtenidos se
observó una buena concordancia con los valores de temperatura medidos
experimentalmente tanto para la cubierta como para el aire interior. Este estudio muestra
la existencia de celdas convectivas en el tercio inferior de la cavidad trapezoidal. Se
realizan comparaciones entre las perdidas térmicas a través de la envolvente obtenida
mediante simulación numérica y experimentalmente. Este estudio permite optimizar el
absorbedor y realizar mejoras en el modelo que ya se encuentra en construcción en la
localidad de San Carlos, Salta.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 82
3.1. COMSOL Multiphisycs.
El programa que se eligió para estudiar el comportamiento dinámico térmico del
aire en la cavidad trapezoidal del absorbedor fue COMSOL Multiphisycs. Este programa,
antes conocido como FEMLAB, es un paquete de software de análisis y resolución por
elementos finitos para varias aplicaciones físicas y de ingeniería, especialmente
fenómenos acoplados, o multifísicos. COMSOL no solo posee las interfaces de usuario
convencionales basadas en físicas, sino que también permite entrar sistemas acoplados
de ecuaciones en derivadas parciales . Las ecuaciones en derivadas parciales se pueden
entrar directamente. COMSOL fue iniciado con base en los códigos desarrollados por
varios estudiantes licenciados del Germund Dahlquist para un curso de la licenciatura en
el Universidad Tecnológica Real en Estocolmo, Suecia. (Comsol, 2014)
El entorno de simulación COMSOL Multiphysics permite realizar todos los pasos
en el proceso de modelado: la definición de la geometría, el mallado, las especificaciones
físicas, la solución, y luego visualizar los resultados. También sirve como una plataforma
para los módulos de aplicación específicos.
El modelo de puesta en marcha posee una serie de interfaces físicas predefinidas
para aplicaciones que van desde el flujo de fluidos y transferencia de calor a la mecánica
estructural y electrostática. Las propiedades del material, condiciones de la fuente, y las
condiciones límite pueden ser todos espacialmente variables, en función del tiempo, o
funciones de las variables dependientes. Es posible mezclar interfaces físicas en
combinaciones multifísicas nuevas, así como cualquier módulo de aplicación específico.
Como alternativa a escribir su propio código de simulación, la interfaz de usuario
de COMSOL Multiphysics da la opción de especificar sus propias ecuaciones en
derivadas parciales (EDPs u ordinario o EDO) y vincularlos con otras interfaces físicas.
Cuando se combina con el módulo de importación desde un programa de diseño asistido
por computadora, CAD, esto le permite ejecutar simulaciones personalizadas en los
modelos CAD de los formatos estándar de la industria.
3.2.1. Modulo de transferencia de calor
El módulo de transferencia de calor proporciona una combinación de capacidades
de transferencia de calor a través de modelos de conducción, convección y radiación, así
como la capacidad de acoplarse con la física de otros modelos.
3.2.1.1. La ecuación de la energía
La ley fundamental que rige toda la transferencia de calor es la primera ley de la
termodinámica, comúnmente conocido como el principio de conservación de la energía.
Sin embargo, la energía interna, U, es una cantidad bastante difícil para medir y utilizar en
simulaciones. Por lo tanto, la ley básica suele ser reescrita en términos de temperatura, T.
Para un fluido, la ecuación del calor resultante es:

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 83
(3.1)
Donde
• g545 es la densidad (kg/m3)
• es el coeficiente de calor especifico a presión constante (J/(kg·K))
• T es la temperatura específica (K)
• u es el vector de velocidad (m/s)
• q es el coeficiente de flujo convectivo (W/m2)
• p es la presión (Pa)
• g306 es el vector de esfuerzos viscosos (Pa)
• S es el tensor de velocidad de deformación (1/s)
• Q contiene otras fuentes de calor además del calentamiento viscoso (W/m3)
Al derivar la ecuación 3.1 se han utilizado una serie de relaciones termodinámicas.
En la ecuación también se supone que la masa se conserva siempre, lo que significa que
la densidad y la velocidad deben estar relacionadas a través de la ecuación de
continuidad:
(3.2)
La ecuación de transferencia general de calor utiliza la ley de Fourier de la
conducción en la que se establece que el flujo de calor por conducción, q, es proporcional
al gradiente de temperatura:
(3.3)
Donde k es la conductividad térmica (W / (m · K)). En un sólido, la conductividad
térmica puede ser diferente en diferentes direcciones. Entonces k se convierte en un
tensor:
(3.4)
Y el flujo de calor conductivo está dada por:

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 84
(3.5)
El segundo término de la derecha de la ecuación 3.1 representa el calentamiento
de un fluido viscoso. Un término análogo surge de la amortiguación viscosa interna de un
sólido. La operación ":" es una contracción y en este caso puede ser escrito en la forma
siguiente:
(3.6)
El tercer término representa el trabajo de presión y es responsable del
calentamiento de un fluido bajo compresión adiabática y para algunos efectos termo-
acústicos. Es generalmente pequeño para bajas corrientes de número de Mach. Un
término similar se puede incluir para dar cuenta de efectos termo-elásticos en los sólidos.
Insertando la ecuación 3.3 en la ecuación 3.1, reordenando los términos y
despreciando el calentamiento viscoso y la presión de trabajo, pone a la ecuación del
calor en una forma tal vez más familiar:
(3.7)
La aplicación del módulo de transferencia de calor resuelve esta ecuación para la
temperatura, T. Cuando la transferencia de calor por convección es activa, se puede
proporcionar la velocidad u como una expresión matemática de variables independientes
o calcular mediante un modulo de COMSOL Multiphysics por un acoplamiento con otros
modelos de aplicación, tales como el modelo de Navier-Stokes para flujos incompresibles.
3.2.1.2. Condiciones borde
La ecuación del calor acepta dos tipos básicos de condiciones de contorno:
temperatura especificada y flujo de calor específico. El primero es de tipo Dirichlet y
prescribe la temperatura en un límite:
(3.8)
Mientras que el segundo especifica el flujo de calor hacia el interior:
(3.9)
Donde:
• q es el vector de flujo de calor total (W/m2),
(3.10)
• n es el vector normal de la frontera
• q0 es el flujo de calor hacia el interior (W/m2), normal a la frontera.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 85
• es el volumen de estudio
Teniendo en cuenta que cuando la transferencia de calor por convección es activa,
el flujo de calor es una condición de contorno de tipo mixto, o Robin, condición límite en
lugar de una condición límite puro Neumann.
Un caso especial puede ser el aislamiento térmico q0 = 0.
Otro caso especial es:
, o equivalente , que se conoce como flujo
convectivo. Esta suele ser la condición apropiada en un límite de flujo de salida en un
modelo con convección. Si las velocidades son cero, aislante térmico y flujo convectivo
son condiciones equivalentes.
El flujo de calor hacia el interior q0 es normalmente una suma de las contribuciones
de los diferentes procesos de transferencia de calor. A menudo es conveniente dividir el
flujo de calor como condición límite
(3.11)
Donde qr representa la radiación entrante y qs es una contribución de una cáscara
fina pero realizando en contacto con la frontera. El último término es un producto de un
coeficiente de transferencia de calor, h, y la diferencia entre la temperatura T y una
superficie Tinf de temperatura de referencia. Puede ser utilizado para modelar una cáscara
delgada con baja conductividad térmica o, más comúnmente, la refrigeración por
convección de una superficie expuesta a un fluido que fluye con Tinf temperatura de la
masa.
Las dos secciones siguientes analizan más de cerca a las contribuciones de la
radiación y de la transferencia de calor por convección a través de una capa límite
3.2.1.3. Transferencia de calor radiante
La radiación térmica denota la corriente de las ondas electromagnéticas emitidas
por un cuerpo a una cierta temperatura. En esta sección se estudia la teoría que subyace
al proceso de transferencia de calor radiativo que se produce en la superficie de un
cuerpo.
Figura 3.1: Destino irradiación (izquierda), dejando radiosidad (derecha).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 86
Consideramos un punto x situado sobre una superficie opaca que tiene una
emisividad g304, reflectividad g545, absortividad g302, y la temperatura T y suponemos que el
cuerpo es opaco, que significa que no se transmite radiación a través del cuerpo.
El total de flujo de radiación que llega a x se denomina irradiación, G. El total de
flujo de radiación saliente de x se denomina la radiosidad, J. La radiosidad es la suma de
la radiación reflejada y la emitida.
(3.12)
El flujo de calor neto hacia adentro por radiación, q, se consigue haciendo la
diferencia entre la irradiación y la radiosidad:
(3.13)
Utilizando la Ecuación 3.12 y 3.13 Se puede eliminar J y obtener una expresión
general para el flujo de calor hacia el interior del cuerpo opaco sobre la base de G y T.
(3.14)
La mayoría de cuerpos opacos también se comportan como cuerpos grises
ideales, que significa que la capacidad de absorción y la emisividad son iguales, la
reflectividad se calcula a partir de la siguiente relación:
(3.15)
Para cuerpo grises ideales nos queda
(3.16)
Esta es la ecuación utilizada en COMSOL Multiphysics en la aplicación de
Transferencia de Calor General como condición de radiación.
3.2.1.4. Tipos de radiación
El Módulo de Transferencia de Calor distingue entre dos tipos de transferencia de
calor por radiación: la radiación de la superficie al ambiente y la radiación entre dos
superficies. La ecuación 3.16 es válida para ambos tipos de radiación, pero el término
irradiación, G, es diferente para ellas. En las secciones siguientes se derivan las
ecuaciones de irradiación y flujo de calor por radiación resultante para ambas situaciones.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 87
3.2.1.5. Radiación de la superficie al ambiente
La radiación de la superficie al ambiente presupone lo siguiente:
• Las cercanías ambientales que ve la superficie tienen una temperatura constante,
Tamb.
• El entorno de temperaturas se comporta como un cuerpo negro. Esto significa
que la emisividad y absortividad son iguales a 1, y la reflectividad cero.
Estas premisas permiten expresar de forma explícita la irradiación como
(3.17)
Insertando la ecuación 3.17 en la ecuación 3.16 se obtiene el flujo neto de calor
hacia el interior de la superficie-ambiente
(3.18)
Para las superficies que miran al ambiente, se añade este término al lado derecho de la
ecuación 3.11.
3.2.1.6. Radiación de superficie a superficie
El análisis de la radiación entre superficies es más complejo. Incluye radiación
tanto desde el entorno como de otras superficies. Una ecuación generalizada para el flujo
irradiativo es:
(3.19)
Donde Gm es la irradiación mutua que llegan de otras superficies en la geometría
modelada y Famb es el factor de vista ambiental. Este último describe la parte de la vista
desde cada punto que está cubierto por las condiciones ambientales. Gm por otra parte se
determina a partir de la geometría y de las temperaturas locales de los límites
circundantes. En las secciones siguientes se derivan las ecuaciones para Gm y Famb en 3D
para un caso general:
Considere un punto x en una superficie como en la Figura 3.2. El punto x puede
ver puntos en otras superficies, así como el ambiente circundante. Supongamos que los
puntos sobre las otras superficies tienen un radiosidad local, J', mientras que el ambiente
que rodea tiene una temperatura constante, Tamb.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 88
Figura 3.2: Ejemplo de geometría para la radiación de superficie a superficie.
La irradiación mutua en el punto x viene dada por la integral de superficie que se
muestra a continuación
(3.20)
El flujo de calor que llega de x depende de la radiosidad local J que se proyecta en x. La
proyección se calcula utilizando la normal n y n' junto con el vector r, que apunta desde x
a x’.
El factor de vista ambiental, Famb, se determina a partir de la integral de las
superficies circundantes S', denotado aquí como F', determinado a partir de la integral por
debajo
(3.21)
Las dos últimas ecuaciones junto con la ecuación 3.13 sirven para encontrar la
ecuación final para el flujo irradiativo.
Las ecuaciones utilizadas hasta ahora se aplican al caso 3D general. Los
resultados para geometrías 2D son integrales más simples. Para 2D las ecuaciones
resultantes para la irradiación mutua y factor de vista ambiental son:
(3.22)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 89
(3.23)
Donde la integral sobre S’ denota la integral de línea a lo largo de los límites de la
geometría 2D.
En geometrías de simetría axial, la irradiación y el factor de vista ambiental no se
pueden calcular directamente a partir de una expresión de forma cerrada. En su lugar, se
debe construir una geometría 3D, y los factores de vista se evalúan de acuerdo con la
Ecuación 3.21.
3.2.1.7. Solución para la radiosidad
En la sección anterior se derivó ecuaciones para la irradiación G en un punto de la
superficie arbitraria. La expresión de la radiosidad dejando x es.
(3.24)
Reemplazando la expresión de G (3.19) en la ecuación anterior nos queda lo
siguiente para la radiosidad.
(3.25)
Si asumimos que trabajamos con un cuerpo negro ideal
(3.26)
Esta es la ecuación utilizada en el modo de aplicación general de transferencia de
calor para resolver la radiosidad, J. Se aplica en la región donde participa la radiación
entre superficies. La ecuación 3.26 es una ecuación lineal en J que se resuelve en
paralelo con la ecuación para la temperatura, T.
3.2.1.8. Coeficientes de transferencia de calor por convección
Una de las condiciones de contorno más usadas al modelar la transferencia de
calor es la de intercambio convectivo. Esta se produce por un fluido que enfría o calienta
una superficie por convección natural o forzada. En principio, es posible modelar este
proceso de dos maneras:
• Utilizando un coeficiente de transferencia de calor convectivo en las superficies
de análisis.
• Extendiendo el modelo para describir el flujo y la transferencia de calor en el
fluido que lame la superficie.
El primer método es muy potente y eficaz. Además, la transferencia de calor con el
modo general de aplicación ofrece funciones integradas para el uso de los coeficientes de
transferencia de calor. Para la mayoría de los propósitos de ingeniería, el uso de estos

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 90
coeficientes es un enfoque de modelado preciso y eficiente. Para el modelo de
convección se especifica el flujo de calor en los límites que hacen contacto con el fluido
como proporcional a la diferencia de temperatura a través de una capa límite térmica
ficticia. El flujo se describe en términos de un coeficiente de transferencia de calor, h, de
acuerdo con la ecuación.
(3.27)
El segundo enfoque implica el flujo de un fluido y transferencia de calor en el
modelo y puede ser útil en ciertos casos. Se puede utilizar este método si, por ejemplo, la
geometría hace que el coeficiente de transferencia de calor varíe sustancialmente con la
posición, o si la temperatura en el fluido es de interés particular. En tales casos, la
condición límite en la interfaz es la continuidad y no requiere atención.
Sin embargo, la complejidad del modelo aumenta significativamente debido a la
necesidad de resolver el campo de flujo, así como el campo de temperatura. Además, los
requisitos de memoria y tiempo de cálculo suelen crecer de manera significativa.
La principal dificultad en el uso de coeficientes de transferencia de calor es
encontrar el valor apropiado para del coeficiente h. Este coeficiente depende del fluido, las
propiedades del fluido y de los materiales, de las superficies en contacto, la temperatura
de la superficie y, para la refrigeración de convección forzada, también la velocidad de
flujo del fluido. Además, la configuración geométrica afecta al coeficiente.
3.2.2. Modulo de Mecánica de Fluido
El Módulo de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es la herramienta
principal en el conjunto de modelos de operación para COMSOL. El uso de este módulo
permite simulaciones sofisticadas de flujo compresible, así como flujos incompresibles.
Además se puede combinar con modelos de turbulencia avanzados ya sean con
circulación forzada, como con convección natural. Una característica importante del
módulo de CFD es su capacidad de combinarse de manera precisa con diversas
plataformas de simulaciones multifísicas tales como la transferencia de calor conjugada
con flujo no isotérmico, interacciones fluido-estructura, el flujo no Newtoniano con
calentamiento viscoso y fluidos con viscosidad dependiente de la concentración.
3.2.2.1. Modulo de Mecánica de Fluido (Navier-Stokes ligeramente
compresible)
A continuación se muestran las ecuaciones que gobiernan un problema de
mecánica fluidos
Ecuación de continuidad o de la conservación de la masa
(3.28)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 91
Ecuación de la conservación del momento
(3.29)
Ecuación de la conservación de la energía
(3.30)
Donde
• g545 es la densidad (kg/m3)
• es el coeficiente de calor especifico a presión constante (J/(kg·K))
• T es la temperatura específica (K)
• u es el vector de velocidad (m/s)
• q es el coeficiente de flujo convectivo (W/m2)
• p es la presión (Pa)
• g306 es el vector de esfuerzos viscosos (Pa)
•S es el tensor de velocidad de deformación (1/s)
(3.31)
• Q contiene otras fuentes de calor además del calentamiento viscoso (W/m3)
Para cerrar el sistema a través de la ecuación 3.29, son necesarias algunas
relaciones constitutivas. Una relación común se deriva de suponer que el fluido es
newtoniano. Junto con la asunción de Stokes, el tensor de tensión viscoso se convierte
en:
(3.32)
La viscosidad dinámica g536 (Pa·s) depende del estado termodinámico, pero no del
campo de velocidades. Todos los gases y muchos líquidos se pueden considerar
newtonianos. Otras relaciones constitutivas de uso común son la ley de Fourier de la
conducción y la ley del gas ideal.
Hay algunos autores (Batchelor, Paton) que muestran que las ecuaciones de
Navier-Stokes se derivan de conceptos tales como fluidos newtonianos y la suposición
Stokes.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 92
3.2.2.2. Condiciones de borde
Las condiciones de contorno para el modo de aplicación de Navier-Stokes se
agrupan en los siguientes tipos:
• Montaje en pared
• No deslizante (por defecto)
• Deslizante
• Movil
• Entrada de Flujo
• Velocidad (predeterminada)
• De presión, sin esfuerzo viscoso
• Afluencia laminar
• Salida de flujo
• Velocidad
• Presión
• De presión, sin esfuerzo viscoso (por defecto)
• Sin esfuerzo viscoso
• Esfuerzo
• Salida laminar
• Simetría límite
• Simetría (por defecto)
• Simetría Axial
• Abrir el límite
• Tensión normal (por defecto)
• Sin esfuerzos viscosos
• Esfuerzos
• Esfuerzo general (por defecto)
• Esfuerzo normal
• Esfuerzo normal, el flujo normal
Para este estudio se usarán solamente condiciones de no deslizamiento y
simetría axial .

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 93
3.2.3. Método numérico (Elementos Finitos)
El MEF permite obtener una solución numérica aproximada sobre un cuerpo,
estructura o dominio (medio continuo) sobre el que están definidas ciertas ecuaciones
diferenciales en forma débil o integral, que caracterizan el comportamiento físico del
problema, dividiéndolo en un número elevado de subdominios no-intersectantes entre sí
denominados “elementos finitos”. El conjunto de elementos finitos forma una partición del
dominio también denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una
serie de puntos representativos llamados “nodos”. Dos nodos son adyacentes si
pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento
finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos considerando sus
relaciones de adyacencia se llama “malla” (Cardona y Fachinotti, 2011).
Los cálculos se realizan sobre una malla de puntos, que sirven a su vez de base
para discretización del dominio en elementos finitos. La generación de la malla se realiza
con una aplicación de COMSOL, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-
proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el
valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y denominadas
grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una determinada variable
entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales (o
linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez del
sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es proporcional al número de nodos.
Típicamente el análisis de los elementos finitos se programa computacionalmente
para calcular el campo de desplazamientos y, posteriormente, a través de relaciones
cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se
trata de un problema de mecánica de sólidos deformables o más generalmente un
problema de mecánica de medios continuos. El método de los elementos finitos es muy
usado debido a su generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos
(en dos o tres dimensiones). Además el método es fácilmente adaptable a problemas de
transmisión de calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y
presiones (mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo electromagnético. Dada
la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con
frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y, en particular, los elementos
finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo.
Una importante propiedad del método es la convergencia; si se consideran
particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la solución numérica calculada
converge rápidamente hacia la solución exacta del sistema de ecuaciones.
3.3. Descripción del absorbedor
En esta simulación, al igual que en el capitulo anterior, se toma una sección
transversal del absorbedor alejada de los bordes externos para ser simulada. Para esta
simulación se respetan los materiales reales de construcción con sus coeficientes
correspondientes.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 94
Dada la complejidad de la geometría a resolver se plantearon dos soluciones
(ambas serán modeladas en dos dimensiones). La primera solución es una simplificación
de la geometría real reemplazando los cinco caños absorbedores por un rectángulo que
ocupe el espacio de los caños. Para la segunda aproximación se graficaron los cinco
caños con espejos reflectores entre caños, respetando la forma y dimensiones reales. Se
tomaron estos pasos al realizar la simulación para poder analizar el funcionamiento de
geometrías simplificadas antes de proceder a calcular geometrías más complejas que
llevan a una mayor dificultad para obtener un resultado convergente y un mayor tiempo de
cálculo.
3.3.1. Primera aproximación
El equipo simulado está formado por una cavidad trapezoidal estanca aislada en la
parte superior por lana de vidrio y en la parte inferior por un vidrio por donde ingresa la
radiación. Dicha radiación es absorbida por 5 caños por los cuales circula el fluido
caloportador. Para esta primera aproximación, por simplicidad, los caños absorbedores se
simularon mediante un rectángulo, como se muestra en la figura 3.3. La radiación
reflejada por los espejos es absorbida por los caños, aumentando su temperatura. Parte
del calor será transferido al fluido caloportador y parte se perderá a través de la cubierta
superior y la ventana inferior. Los procesos de transferencia de calor por los cuales se
transmiten dichas pérdidas son complejos y su entendimiento nos permitirá realizar
modificaciones, mejorando el rendimiento del absorbedor.
Figura 3.3: Modelo de absorbedor simplificado usado para la simulación mediante CFD
Dada la geometría simétrica del trapecio, se graficó solamente la mitad derecha
del mismo, como se puede apreciar en la figura 3.4, ahorrando así la mitad del tiempo de
cálculo. Además de las transferencias de calor por la cubierta y el vidrio, se supuso que el
aire interior convecta, es por ello que se usaron dos modelos de COMSOL Multiphysics
que se relacionan entre sí: Navier Stokes ligeramente compresible y Transferencia de
Calor General.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 95
Figura 3.4: Representación de la mitad derecha del absorbedor simulado
El aire confinado dentro de una cavidad trapezoidal con su parte superior caliente
sin radiación no debería convectar, ya que el numero adimensional Nusselt es 1, pero al
existir radiación en el interior de la cavidad, esta calienta el vidrio inferior y pasado cierto
tiempo este estará a mayor temperatura que el aire que se encuentra a cierta distancia
por encima del vidrio, por lo que se formaran las celdas convectivas (Reynolds et al,
2000).
El programa permite simular los intercambios radiativos entre las paredes internas
teniendo en cuenta tanto sus factores de forma como sus emitancias y absortancias.
3.3.2. Ecuaciones gobernantes
Para estudiar el movimiento del aire interior se usaron las ecuaciones de Navier-
Stokes. Con condiciones de borde de no deslizamiento sobre las superficies. El fluido se
lo simuló como un gas ideal ligeramente compresible y con la viscosidad (g542), la capacidad
calorífica (Cp) y la conductividad térmica (k) dependiendo de la temperatura.
Para analizar la flotabilidad en términos de las ecuaciones de momento, no se usó
la aproximación de Boussinesq. Las ecuaciones de movimiento en 2D para convección
natural en estado estacionario teniendo en cuenta la conservación de masa, momento y
energía son las siguientes.
(3.33)
(3.34)
(3.35)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 96
(3.36)
Donde u y v son las velocidades correspondientes a las direcciones x e y, T es la
temperatura, P es la presión, g es la aceleración de la gravedad y g545 es la densidad del
gas (aire) dada por la ley de los gases ideales.
(3.37)
Donde M es el peso molecular (0.029 ) y R es la constante de los gases ideales
(8.314 ).
Además tanto en las cubiertas de aislación superior y lateral, así como en el vidrio
inferior, solo se tuvo en cuenta la conducción.
(3.38)
3.3.3. Condiciones de borde
Las condiciones de borde para la velocidad son más sencillas en las regiones
límites entre la cavidad y el techo, lateral o el vidrio son
u=0, v=0
para el eje central de simetría
u=0,
Las condiciones de borde térmica son más complejas ya que hay que tener en
cuenta la radiación entre las distintas cavidades internas, y la radiación y convecciones
entre las superficies exteriores y el ambiente.
Para los intercambios entre las superficies exteriores y el ambiente se tuvo en
cuenta la siguiente ecuación.
(3.39)
Donde n es la normal unitaria a la superficie considerada, k es la conductividad
térmica, g304 es la emisibilidad superficial, h es el coeficiente de intercambio conectivo, Tamb
es la temperatura ambiente, es la contante de Stefan- Boltzman (5.6704x10-8 ).
Para los intercambios en el interior de la cavidad trapezoidal tenemos en cuenta la
continuidad de la Temperatura y el balance de calor expresado por
(3.40)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 97
donde la notación denota la diferencia en el valor de T entre su valor por
encima y por debajo de la superficie en cuestión, y el balance de calor se expresa por
(3.41)
J es la radiosidad
(3.42)
es la reflectividad asumiendo como superficies grises ideales (1-g304) se obtiene
el sistema de ecuaciones lineales de J
(3.43)
La cual debe resolverse conjuntamente con la temperatura. Sin embargo para la
superficie colector-aire interior en vez de las ecuaciones 3.39 y 3.40 tenemos
Donde es la temperatura de los caños y
(3.44)
Por último en el eje de simetría tenemos
(3.45)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 98
Los parámetros necesarios para las ecuaciones gobernantes y las condiciones de
borde se muestran en la siguiente tabla
Parámetros Valor Unidades
h 10
1,4
0,05
300,5 K
383-557 K
0,8 -
0,9 -
0,8 -
0,3 -
Tabla 3.1: Parámetros utilizados en las ecuaciones gobernantes y en las condiciones de
borde
3.3.4. Mallado
Para el mallado se uso una malla triangular no uniforme (figura 3.5). La misma se
afinó en la zona cercana a la ventana de vidrio para detectar capas límites en el caso de
que existiesen. Una vez encontrada la solución, se probaron otros mallados más finos,
pero al ver que no había cambios en los resultados se optó por continuar con este
mallado que ocupaba menor tiempo de cálculo.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 99
Figura 3.5: Mallado triangular afinado en la zona del vidrio para visualizar posibles capas
límites
3.3.5. Método Numérico
Para el cálculo computacional usamos el software de método numérico de
elementos finitos COMSOL Multiphysics (licencia).
El criterio de convergencia tomado fue
(3.46)
Donde es el número de grados de libertad, es el error estimado en la
aproximación actual a la i-esima componente del vector y la solución . Se
probaron valores menores de g304, pero los resultados obtenidos fueron los mismos. La
simulación tiene 27.803 grados de libertad con una mallado de 1.598 puntos y 3.324
elementos.
3.3.6. Resultados
Se calcularon las distribuciones de temperatura y velocidades de flujos para
distintas temperaturas de trabajo, es decir distintas temperaturas en los caños del
absorbedor. Estas temperaturas se tomaron en concordancia con los valores del capítulo
2 Altamirano, et al (Altamirano et al, 2009) para así poder realizar las comparaciones con
medidas de laboratorio. Las temperaturas de los caños del absorbedor fueron tomadas
como condiciones de borde.
Para poder graficar las líneas de corriente definimos una función de corriente .
, (3.47)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 100
De manera tal que satisfaces automáticamente la ecuación (3.33). Obtenemos
con la herramienta de post procesamiento una vez resuelto u y v, y resolvemos
(3.48)
Sujeto a en los bordes de la cavidad trapezoidal y el eje de simetría.
El cálculo se realizó para 6 temperaturas de caños diferentes (383K, 429K, 445K,
471K, 510K, 557K). A continuación se muestra la distribución de temperaturas en escala
de colores con las líneas de corrientes calculadas con el método que se describió
anteriormente. En la figura 3.6 se puede apreciar los resultados de las temperaturas y las
líneas de corrientes para las siguientes temperaturas de los caños.
(a)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 101
(b)
(c)
Figuras 3.6: Gráfico de distribución de temperatura (escala de colores) y líneas de
corrientes (blanco): (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de caño 445 K. (c)
Temperatura de caño 557 K.
Como se puede apreciar, la distribución de temperatura no varía de gran manera
con el aumento de la temperatura de los caños. Se puede considerar que el espesor de
aislación fue suficiente ya que la temperatura simulada para la superficie exterior es
similar a la temperatura ambiente.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 102
Con respecto a las líneas de corrientes en los dos primeros casos mostrados no se
encuentran grandes diferencias, pero al aumentar la temperatura aparece una tercera
celda convectiva por encima de la ya existente en la parte inferior sobre el vidrio.
Estos resultados están en concordancia con los mostrados por Pye et al (Pye et al,
2003).
En la figura 3.7 se puede apreciar la distribución de temperaturas de aire en el eje
central de simetría de la cavidad trapezoidal comparadas con los valores medidos que se
muestran en el capítulo 2. (Altamirano, et al 2009).
g1004
g1009 g1004
g1005g1004 g1004
g1005g1009 g1004
g1006g1004 g1004
g1006g1009 g1004
g1007g1004 g1004
g1007g1009 g1004
g1008g1004 g1004
g1008g1009 g1004
g1004 g1009 g1005 g1004 g1005g1009 g1006g1004 g1006g1009
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g60
g895
g24g349g400g410g258g374g272 g349g258g3g258g3 g367g381g400g3g272 g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g282g258g410g381g400g3g373g286g282g349g282g381g400
g282g258g410g381g400g3g400g349g373g437g367g258g282g381g400
(a)
g1004
g1009 g1004
g1005g1004 g1004
g1005g1009 g1004
g1006g1004 g1004
g1006g1009 g1004
g1007g1004 g1004
g1007g1009 g1004
g1008g1004 g1004
g1008g1009 g1004
g1009g1004 g1004
g1004 g1009 g1005g1004 g1005g1009 g1006g1004 g1006 g1009
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g60
g895
g24g349g400g410g258g374g272 g349g258g3g258g3 g367g381g400g3g272 g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g100g286g373g393g3g373g286g282g349g282g258
g410g286g373g393g3g400g349g373g437g367g258g282g258
(b)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 103

g1004
g1005g1004 g1004
g1006g1004 g1004
g1007g1004 g1004
g1008g1004 g1004
g1009g1004 g1004
g1010g1004 g1004
g1004 g1009 g1005 g1004 g1005 g1009 g1006g1004 g1006g1009
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g396g437
g396g258
g3g894g60
g895
g24g349g400g410g258g374g272 g349g258g3g258g3 g367g381g400g3g272g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g410g286 g373g393g3g373g286 g282g349g282g258
g410g286 g373g393g3g272g258g367g272 g437g367g258g282g258
(c)
Figura 3.7: Distribución de temperatura en el aire interior sobre el eje de simetría de la
cavidad trapezoidal: (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de caño 445 K. (c)
Temperatura de caño 557 K.
En los gráficos anteriores se puede ver una gran concordancia entre las
temperaturas simuladas y medidas para la temperatura de caño 383 K, mientras que la
concordancia va disminuyendo a medida que la temperatura de los caños aumenta. Esto
puede deberse a que al aumentar la temperatura, el flujo se acerca a un régimen
turbulento, ya que nos encontramos con un número de Reynolds alto cercano al límite
para régimen laminares.
A continuación se muestran las pérdidas térmicas totales medidas, transversales a
las superficies exteriores del absorbedor comparadas con las pérdidas térmicas simuladas
en función de la diferencia entre las temperaturas de los caños y la temperatura ambiente.
(Figuras 3.8)
Figura 3.8: Gráficos comparativos entre los valores medidos y simulados de las pérdidas
térmicas (W/m) totales en un absorbedor lineal tipo Fresnel en función de las temperatura
de funcionamiento de los caños en (°C)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 104
Como se puede apreciar en el gráfico anterior, la presencia de celdas convectivas
solo afecta en un 3% las pérdidas de calor totales. En el gráfico 3.8 se puede ver que los
valores medidos y simulados, si bien coinciden para temperaturas de caños bajas, a
medida que estas crecen, también crece la diferencia entre estas. Esto se puede deber a
que en la simulación no se tuvo en cuenta las pérdidas térmicas producidas, tanto, por las
estructuras internas de soporte del equipo o las pérdidas por conducción a través de la
superficie interna de aluminio como externa de chapa galvanizada.
3.4. Segunda aproximación
Para la segunda aproximación se tomaron las mismas medidas para la cubierta
aislantes, vidrio y cavidad de aire que se usaron en la primera aproximación pero para los
caños del absorbedor se respetaron las formas y medidas reales. En la figura 3.9 Se
muestra la geometría graficada para la simulación, en el mismo se puede observar los
cinco tubos Schedule 40 de 0,0312 m de diámetros separados 0,013 m entre sí. En el
espacio entre caños se colocan triángulos de aluminio de alta reflectancia.
Figura 3.9: Modelo de absorbedor usado para la simulación mediante CFD
Al igual que en la primera aproximación debido a la simetría de la geometría se
graficó solamente la mitad derecha ahorrando así la mitad del tiempo de cálculo. La
geometría utilizada fue graficada en Autocad e importada a COMSOL.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 105
Figura 3.10: Representación de la mitad derecha del absorbedor simulado
Se usaron dos modelos de COMSOL Multiphysics que se relacionan entre sí:
Navier Stokes ligeramente compresible y Transferencia de Calor General. Las ecuaciones
gobernantes se tomaron igual que para el cálculo anterior con las mismas condiciones de
bordes. Para esta simulación el cálculo de los factores de vista es más complejo debido a
la geometría de los caños.
El criterio de convergencia se tomo del mismo modo que en el cálculo anterior
3.4.1. Mallado
Figura 3.11: Malla triangular afinado en la zona del vidrio y de los caños para detectar
posibles capas límites

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 106
Para esta configuración se trabajo con el mismo método de convergencia con una
solución de .
Esta simulación tiene 65.393 grados de libertad con una mallado de 4.130 puntos y
8232 elementos.
Las ecuaciones gobernantes, las condiciones de borde y el método numérico que
se uso fue el mismo que el utilizado para la primera aproximación.
3.4.2. Resultados
Para poder graficar las líneas de corriente utilizó la misma función de que en la
sección anterior.
El cálculo se realizó para las mismas 6 temperaturas de funcionamiento de caños
(383K 429K, 445K, 471K, 510K, 557K). A continuación se muestra la distribución de
temperaturas en escala de colores con las líneas de corrientes calculadas con el método
que se describió anteriormente. En la figura 3.12 se puede apreciar los resultados de la
distribución de temperaturas y las líneas de corrientes para las siguientes temperaturas de
los caños.
(a)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 107
(b)
(c)
Figuras 3.12 Gráfico de distribución de temperatura (escala de colores) y líneas de
corrientes (blanco): (a) Temperatura de caño 383.83 K. (b) Temperatura de caño 445.33
K. (c) Temperatura de caño 557.95 K.
Como se puede ver la distribución de temperatura no varía de gran manera con el
aumento de la temperatura de los caños siendo similar a la obtenida para el caso de la
geometría simplificada.
Con respecto a las líneas de corrientes se puede apreciar en las tres gráficas la
aparición de unas celdas convectivas pequeñas en las zonas cercanas a los caños. Al
igual que para el cálculo de la geometría simplificada para este caso el aire interior

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 108
aparece estratificado en los dos tercios superiores de la cavidad mientras que se pueden
observar celdas convectivas en el tercio inferior de la cavidad.
En la figura 3.13 se puede apreciar la distribución de temperaturas de aire en el eje
central de simetría de la cavidad trapezoidal comparadas con los valores medidos
g1004
g1009 g1004
g1005 g1004g1004
g1005 g1009g1004
g1006 g1004g1004
g1006 g1009g1004
g1007 g1004g1004
g1007 g1009g1004
g1008 g1004g1004
g1008 g1009g1004
g1004g856g1004g1004 g1009g856g1004g1004 g1005g1004 g856g1004 g1004 g1005g1009 g856g1004 g1004 g1006g1004 g856g1004 g1004 g1006 g1009g856g1004g1004
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g60
g895g3
g24g349g400g410g258g374g272g349g258g3g258g3g367g381g400g3g272g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g100g894g60g895g3g1007g1012 g1007
g100g894g60g895g1007 g1012g1007 g3g373g286 g282
(a)
g1004
g1009 g1004
g1005 g1004 g1004
g1005 g1009 g1004
g1006 g1004 g1004
g1006 g1009 g1004
g1007 g1004 g1004
g1007 g1009 g1004
g1008 g1004 g1004
g1008 g1009 g1004
g1009 g1004 g1004
g1004 g856g1004 g1004 g1009g856g1004 g1004 g1005 g1004 g856g1004g1004 g1005 g1009 g856g1004 g1004 g1006 g1004g856g1004 g1004 g1006 g1009 g856g1004g1004
g410g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g60
g895
g24g349g400g410g258g374g272 g349g258g3g258g3 g367g381g400g3g272 g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g100g894g60g895g3g1008 g1008 g1009
g100g894g60g895g1008 g1008 g1009 g3g373g286 g282
(b)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 109

g1004
g1005 g1004g1004
g1006 g1004g1004
g1007 g1004g1004
g1008 g1004g1004
g1009 g1004g1004
g1010 g1004g1004
g1004g856g1004 g1004 g1009 g856g1004 g1004 g1005 g1004g856g1004g1004 g1005 g1009 g856g1004 g1004 g1006 g1004 g856g1004 g1004 g1006g1009 g856g1004 g1004
g410g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g60
g895
g24g349g400g410g258g374g272 g349g258g3g258g3 g367g381g400g3g272g258g377g381g400g3g894g272g373g895
g100g894g60g895g3g1009g1009 g1011
g100g894g60g895g3g1009g1009 g1011 g3g373g286 g282
(c)
Figura 3.13: Distribución de temperatura en el aire interior sobre el eje de simetría de la
cavidad trapezoidal: (a) Temperatura de caño 383 K. (b) Temperatura de caño 445 K. (c)
Temperatura de caño 557 K.
En los gráficos anteriores se puede ver una gran concordancia entre las
temperaturas simuladas y medidas para la temperatura de caño 383 K, mientras que
disminuye a medida que la temperatura de los caños aumenta. Esto al igual que para el
caso anterior puede deberse a que al aumentar la temperatura, el flujo se acerca a un
régimen turbulento, ya que nos encontramos con un número de Reynolds alto cercano al
límite para régimen laminares.
A continuación se muestran las pérdidas térmicas medidas totales transversales a
las superficies exteriores del absorbedor comparadas con las pérdidas térmicas simuladas
en función de la diferencia entre las temperaturas de los caños y la temperatura ambiente
en °C. (Figura 3.14). Para ello se simularon tres situaciones, una respetando los
coeficientes reales de los materiales y otras dos modificando la conductividad de la lana
de vidrio a 0,26 y 0,36W/Km.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 110
g1004
g1005 g1004g1004
g1006 g1004g1004
g1007 g1004g1004
g1008 g1004g1004
g1009 g1004g1004
g1010 g1004g1004
g1011 g1004g1004
g1012 g1004g1004
g1013 g1004g1004
g1009 g1004 g1005 g1004g1004 g1005 g1009g1004 g1006 g1004 g1004 g1006g1009 g1004
g87g286
g396g282
g349g282
g258g400
g3g410g286
g396g373
g349g272g258
g400g3g410
g381g410
g258g367g286
g400g3g894
g116
g876g373
g895
g894g100g286g373g393g3g282g286 g3g272g258g377g381g400g3 g882 g100g286g373g393g3 g258g373g271g349g286 g374g410g286 g895g3 g894g931g18g895
g373g286g258g400g437g396g286 g3g894g116g876g373g895
g410g381g410g258g367g3g346g286g258g410g3 g367g381g400g400g3g894g116g876g373g895
g364g1004 g856g1007 g1010g3g286 g454 g410g3g894g116g876g373g895
g364g1004 g856g1006 g1010g3g286 g454 g410g3g894g116g876g373g895
Figura 3.14: Gráficos comparativos entre los valores medidos y simulados de las pérdidas
térmicas totales en un absorbedor lineal tipo Fresnel
Se aprecia que las pérdidas térmicas simuladas, al igual que en el caso de la
geometría simplificada, solo presenta buena concordancia para los casos con
temperaturas de caño baja. Una posible causa de esta discordancia entre los valores
medidos y simulados puede deberse al hecho de no tenerse en cuenta los puentes
térmicos existentes debido a la existencia de una estructura de soporte y a la conducción
a través de la chapa galvanizada exterior, es por ello que se decidió modificar el
coeficiente conductivo la lana de vidrio, para así, englobar este fenómeno en una variable
complexiva. Se puede apreciar que si el valor de esta variable es de 0.36 W/m K los
valores simulados ajustan bastante bien con los valores medidos, con discrepancias
menores al 5%.
En la Tabla 3.2 se presentan los valores de las tasas de pérdida de calor a través
de la carcasa aislada (Qc) y de la ventana inferior (Qm) (obtenidos a partir de la simulación
con conductividad térmica 0.36 W/mK) comparados con los valores obtenidos
experimentalmente (capítulo anterior) en función de la temperatura de caños en K.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 111
Temperatura de
los caños (K)
% perdidas por ventana inferior % perdidas por carcasa
experimental simulación experimental simulación
383 77 82 23 18
429 86 84 14 16
445 86 85 14 15
471 87 86 13 14
510 88 87 12 13
557 92 89 8 11
Tabla 3.2: Tasas de pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor. Valores
simulados y experimentales.
Como se puede observar en la tabla los valores porcentuales de las perdidas
térmicas obtenidos por la simulación están en concordancia con los obtenidos
experimentalmente, lo que muestra un correcto comportamiento de la simulación.
3.5. Conclusiones del capítulo
En esta tesis se estudia en detalle las perdidas térmicas en un absorbedor lineal
para un CFL. Esto permitió definir parámetros característicos, como ser la profundidad de
la cámara trapezoidal o el espesor de la aislación lateral y superior, y así mejorar
rendimientos y disminuir costos innecesarios. Dichos parámetros fueron optimizados para
el CFL que se encuentra en construcción en la localidad de San Carlos.
Mediante el estudio realizado en este capítulo se confirmó las presencia de celdas
convectivas en el tercio inferior de la cavidad trapezoidal del absorbedor, esto explica los
perfiles de temperaturas encontradas en el capitulo anterior.
Si bien el espesor de 0.12m para las aislaciones laterales y superiores parece ser
el correcto, queda todavía estudiar las pérdidas a través de los puentes térmicos que
forman la estructura de soporte y las chapas galvanizadas que recubren el sistema. Para
mejorar la simulación con respecto a los valores medidos, haría falta incorporar en la
simulación las perdidas térmicas a través de la estructura interna del absorbedor.
Una vez optimizada esta simulación queda como trabajo a futuro una simulación
3D para estudiar la distribución de temperaturas a lo largo del absorbedor.
g3

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 112

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 113
CAPITULO 4
En este capítulo se evalúa el comportamiento térmico global del Concentrador
Lineal tipo Fresnel instalado en el campo experimental del INENCO en la Universidad
Nacional de Salta. En dicha evaluación se midieron temperaturas, presiones, caudal y
radiación para calcular su eficiencia instantánea. La evaluación fue realizada para 4 días
bajo distintas condiciones de funcionamiento. Se estudió la importancia de un sistema de
posicionamiento automático para los espejos y su implicancia en la eficiencia y en las
temperaturas de trabajo.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 114
4.1. Descripción del equipo ensayado (CFL del INENCO 43m2)
Para este estudio se trabajó con el Concentrador Lineal tipo Fresnel instalado en el
campo experimental del INENCO en la Universidad Nacional de salta en el año 2009.
Este equipo cuenta con una superficie espejada de 43.2 m2. Esta superficie se encuentra
dividida en 9 espejos individuales de 0,8 m de ancho por 6 m de largo cada uno. Los
espejos están acoplados a un sistema de varillaje conectado a un motor paso a paso, de
manera tal, que pueden moverse coordinadamente y reflejen la radiación en su conjunto
hacia la zona donde se encuentra el absorbedor. Los espejos giran sobre su eje
longitudinal ubicado en el centro de gravedad para disminuir la carga sobre los motores,
este eje se encuentra a 0,5 m del suelo. El absorbedor se encuentra a 6 m sobre el eje de
rotación de los espejos y sus caños se encuentran recubiertos por una pintura negra para
alta temperatura con una absortancia medida de 0,97. El absorbedor está formado por 5
caños Schedule 40 y sus dimensiones y materiales son los mismos que las del
absorbedor estudiado en el capítulo 2. En este equipo el agua (fluido caloportador)
ingresa a temperatura ambiente por un caño de 1 pulgada nominal por el extremos norte
del absorbedor, se distribuye en los 5 caños del absorbedor para calentarse al atravesar
los mismo y el vapor se extrae por el extremo sur también mediante un caño de una
pulgada nominal con aislación. La presión de trabajo del sistema es regulada mediante
una válvula en la salida de vapor.
Las figura 4.1 muestran fotografías del equipo ensayado. En ellas puede
apreciarse la forma del absorbedor y las diferentes orientaciones de los espejos para un
determinado momento del día. También puede observarse el vapor generado por el
prototipo.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 115
Figura 4.1: Fotografías del equipo instalado en el campo experimental del INENCO

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 116
Los espejos están acoplados, de forma tal que se mueven en conjunto, pero
formando diferentes ángulos entre la normal al espejo con respecto a una dirección
vertical. Este “ángulo de inclinación”, que cambia en el transcurso del día es tal que
siempre la radiación reflejada incide en el absorbedor. Para el ensayo realizado se utilizó
un motor paso a paso para mover todos los espejos en su conjunto y mantener un
seguimiento del sol constante. La velocidad del motor estaba programada en relación al
desplazamiento del sol durante el día. La velocidad con que se mueven los espejos no es
constante debido a que los ejes de rotación no son paralelos al el eje ecuatorial terrestre.
Es por ello que esta velocidad depende del día del año y varía minuto a minuto para cada
día. Durante los ensayos se tuvieron que realizar pequeñas correcciones en la inclinación
de cada espejo en forma independiente ya que no se contaba con un sistema de
seguimiento terminado. La inclinación del área espejada es una variable fundamental en
el funcionamiento del equipo, porque de ella depende la energía que recibe el absorbedor
y por lo tanto influye directamente en la cantidad de vapor producido por el prototipo.
4.1.1. Esquema de medidas
Los objetivos de este ensayo son estudiar la eficiencia instantánea del equipo y
determinar las temperaturas y presiones de trabajo.
Las medidas se realizaron de acuerdo al esquema que se muestra en la figura 4.2,
en la cual se puede apreciar la disposición de los equipos utilizados para obtener los
valores de las variables involucradas en el cálculo. (Salvo et al, 2009)
Figura 4.2: Esquema de la circulación del fluido de trabajo – Variables de media – Lugares
de toma de datos
La determinación de la eficiencia del sistema se realizó relacionando la potencia
de entrada y de salida del sistema.
(4.1)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 117
Donde g536 es la eficiencia, Qsalida es la potencia térmica generada y Qinsidente es la
radiación que llega a la superficie de los espejos.
La potencia de entrada se determina a partir de la radiación solar directa incidente
sobre cada espejo, sumando luego para todos los espejos. Para determinar la potencia de
entrada se midió radiación global y difusa sobre los planos de cada uno de los 9 espejos,
con un radiómetro fotovoltaico (Licor 800) previamente calibrado con un error de 3%, con
la diferencia de ambas se obtiene la radiación directa incidente sobre el espejo, esta es la
que se refleja en el absorbedor. Como cada espejo se encuentra con una inclinación
diferente estos valores varían de espejo a espejo.
(4.2)
Donde Ig es la radiación global recibida sobre cada espejo, Id es la radiación difusa
recibida sobre cada espejo y Aespejo es el área de cada espejo (4.8m2)
El cálculo de la potencia de salida se obtiene tomando la diferencia de
temperaturas de entrada y salida del fluido caloportador (agua) y el caudal másico. En
este cálculo hay que tener en cuenta las presiones de trabajo en el absorbedor, para
poder estimar valores del calor específico, entalpia de cambio de fase y temperaturas de
cambio de fase.
(4.3)
Donde es el caudal masico, son los calores específicos del agua y del vapor
a las temperaturas de trabajo, h es la entalpia de cambio de fase, y T son las temperatura
de entrada, salida y de cambio de fase.
La determinación de las temperaturas se realizó usando termocuplas tipo K
conectadas a un dataloger DIGI-SENCE con un error de 0.1 C. En las medidas de presión
se uso un manómetro digital Cole Parmer en la entrada y un manómetro analógico TPM
en la salida, ambos calibrado bajo condiciones de laboratorio y con un error de 0.01 atm.
Para el caudal se usó un caudalímetro Sellin con un error de 5x10-5 l/s.
El inicio de las medidas se realiza cuando el equipo produce vapor constante
durante un periodo superior a 10 minutos, de forma tal que se pueda considerar en estado
semiestacionario, (Zarza et al, 2006). Para este propósito, enfocando todos los espejos
hacia el absorbedor, se ajustaba el caudal con el variador de velocidades de la bomba.
Cuando el vapor generado, para un determinado caudal, era constante por más de 15
minutos se iniciaba la toma de datos variando solamente la inclinación de los espejos
durante el intervalo de toma de datos. Los caudales involucrados son muy bajos porque
se pretendía que todo el líquido que ingrese a la zona del absorbedor se evaporase y
sobrecalentase. Para un equipo de dimensiones mayores, donde el vapor generado se

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 118
utilice en una turbina para producir energía eléctrica, se necesita vapor sobrecalentado
(sin contenido de agua líquida), por lo tanto hay que asegurar que se evapore todo el
líquido que ingresa al absorbedor.
A continuación se representan los valores obtenidos para la eficiencia del
prototipo. Si bien fueron varios los días ensayados, se muestran solo 4 días, los que se
consideran más representativos en el sentido que dan una visión completa de la influencia
de las diferentes variables involucradas y del gran potencial que posee este tipo de equipo
para la producción de vapor.
4.1.2. Resultados
Se calcularon valores de eficiencia para cuatro días típicos de medida. Las tres
primeras gráficas corresponden a valores tomados cuatro horas antes del mediodía solar
y la cuarta gráfica corresponde a valores tomados cuatro horas después del mediodía
solar. En una primera comparación muy general de los valores representados se puede
apreciar que el comportamiento del equipo varía de un día a otro, en los dos primeros
días mostrados se supera el 60% de eficiencia mientras que para los días restantes se
obtuvieron valores entre el 40 al 50%.
Otro factor que también debe tenerse en cuenta es que el absorbedor se
encuentre totalmente iluminado. Lo que sucede si la orientación de los espejos es la
adecuada, pero debido a la época del año en que se realizaron las medidas la declinación
estacional del sol puede afectar. Si bien el equipo permite desplazar el absorbedor a lo
largo del eje de los espejos, por las razones de disponibilidad de espacio el equipo estaba
al máximo de su variación a lo largo del eje norte-sur (6m de desplazamiento), sin
embargo un sector del absorbedor no se encontraba completamente iluminada,
aproximadamente 1m. Para el cálculo de eficiencia se tuvo en cuenta este aspecto
reduciendo el área de colección en 16%.
Figura 4.3: Pérdidas debido a la declinación estacional

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 119
A continuación se muestran en tablas los valores medidos con sus gráficos de
eficiencias correspondientes para los 4 días medidos. Los valores de eficiencia se
calcularon teniendo en cuenta la radiación directa que llega a la superficie de los espejos
se presentan en función de la temperatura media entre entrada y salida, temperatura
ambiente e irradiancia global sobre plano horizontal, de acuerdo a como se indica en cada
una de las gráficas.
4 de Junio (primer día de ensayos)
Espejo con calibración (radiación directa) [w/m2]
Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10:35:00 357 405 403 434 465 501 505 505 511
10:55:00 397 402 429 444 528 506 506 525 518
11:10:00 407 417 447 472 503 506 507 509 507
11:30:00 421 443 460 484 501 511 509 513 515
11:50:00 403 450 438 466 474 533 535 526 521
12:15:00 430 455 476 493 506 489 482 509 507
12:30:00 425 449 476 498 506 499 479 481 520
12:45:00 437 470 477 495 497 492 513 498 500
01:00:00 461 466 478 494 522 496 499 502 492
Tabla 4.1: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos
presión (atm) caudal másico (kg/s) Temperatura (°C)
Hora Entrada Salida Entrada Salida
10:35:00 1,00 1,00 0,00467 15,8 29,7
10:55:00 1,00 1,00 0,00467 17,6 108,3
11:10:00 1,00 1,00 0,00467 18,8 144,0
11:30:00 3,63 3,29 0,00400 20,5 182,2
11:50:00 3,83 2,81 0,00400 21,1 129,3
12:15:00 3,90 3,57 0,00400 22,1 204,6
12:30:00 4,10 3,77 0,00400 22,1 199,9
12:45:00 3,96 3,57 0,00400 22,9 217,5
01:00:00 3,99 3,38 0,00400 23,1 194,7
Tabla 4.2: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 120
Con estos valores se calculan las potencias de entrada y salida necesarias para el cálculo
de la eficiencia instantánea
Hora Qsal (W) Qentrada (W) Eficiencia
10:55:00 12242 16355 0,74
11:10:00 12564 16432 0,76
11:30:00 11359 16748 0,67
12:15:00 11530 16715 0,68
12:30:00 11596 16655 0,69
12:45:00 11743 16835 0,69
13:00:00 11532 16952 0,68
Tabla 4.3: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea
g455g3g1089 g3g882g1004 g856g1010g1012g1004 g1006g454g3g1085 g3g1004 g856g1012g1011 g1008g1005
g90g1016g3g1089 g3g1004 g856g1009g1008 g1010g1005
g1004 g856g1005 g1009 g1004 g856g1005 g1011 g1004 g856g1005 g1013 g1004 g856g1006 g1005 g1004 g856g1006 g1007 g1004 g856g1006 g1009 g1004 g856g1006 g1011 g1004 g856g1006 g1013
g1004
g1004 g856g1005
g1004 g856g1006
g1004 g856g1007
g1004 g856g1008
g1004 g856g1009
g1004 g856g1010
g1004 g856g1011
g1004 g856g1012
g1004 g856g1013
g894 g100g373g286g282g349g258g882g100g258g373g271g349g286g374g410g286g895g876g47g396g396g258g282g349g258g374g272g349g258g3 g894g364g876g116g876g373 g1006g895
g286g296
g349g272g349
g286g374
g272g349g258
g1008g3g282g286g3g58g437g374g349g381g3 g1006g1004g1004g1013
Figura 4.4: Eficiencia instantánea Vs. (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia)
En el gráfico anterior de eficiencia Vs (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia) no se
aprecia la clásica recta que presenta Duffie (Duffie Beckman, 2005) ya que no se varió la
temperatura de entrada, pero nos da una idea de un valor de eficiencia global cercano a
0,7.
30 de Junio (segundo día de ensayos)
Espejo con calibración (radiación directa) [w/m2]
Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10:15:00 505 484 495 468 445 423 384 328 303
10:30:00 496 494 479 449 499 428 395 357 398
10:50:00 475 469 453 457 467 457 487 390 355
11:00:00 508 496 477 485 495 471 428 408 366
11:20:00 488 474 467 472 467 435 418 386 372
11:50:00 504 506 493 474 487 474 448 408 382
12:05:00 493 466 482 483 479 468 468 423 373
12:20:00 492 498 491 472 478 484 455 450 387
12:40:00 482 489 485 491 487 479 477 436 420
13:00:00 465 470 477 483 477 469 454 439 405
Tabla 4.4: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 121
presión (atm) caudal másico (kg/s) Temperatura (°C)
Hora Entrada Salida Entrada Salida
10:15:00 2,84 1,00 0,0033 14,7 72,6
10:30:00 2,55 2,33 0,0037 22,1 131,6
10:50:00 4,57 3,77 0,0037 22,3 151,3
11:00:00 2,56 1,85 0,0037 23,1 135,0
11:20:00 3,69 2,81 0,0037 24,6 187,4
11:50:00 2,65 1,85 0,0037 24,5 169,1
12:05:00 3,03 2,33 0,0037 24,3 176,6
12:20:00 3,23 2,61 0,0037 24,9 197,6
12:40:00 3,00 2,23 0,0037 25,1 187,0
13:00:00 3,07 2,23 0,0037 23,3 184,0
Tabla 4.5: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas
Hora Qsal (W) Q (W) Eficiencia
10:15:00 808 14744 0,54
10:30:00 9980 15357 0,64
10:50:00 10281 15417 0,66
11:00:00 9816 15892 0,61
11:20:00 10809 15297 0,70
11:50:00 10527 16050 0,65
12:05:00 10320 15897 0,64
12:20:00 10481 16170 0,64
12:40:00 10239 16320 0,62
13:00:00 10244 15908 0,64
Tabla 4.6: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea
g455g3g1089 g3g1004g856g1012g1013 g1004g1008 g454g3g1085 g3g1004 g856g1008 g1007g1008 g1012
g90g1016g3g1089 g3g1004 g856g1012 g1005g1006 g1012
g1004 g856g1005 g1013 g1004 g856g1006 g1005 g1004 g856g1006 g1007 g1004 g856 g1006 g1009 g1004 g856g1006 g1011 g1004 g856g1006 g1013 g1004 g856g1007 g1005
g1004
g1004 g856g1005
g1004 g856g1006
g1004 g856g1007
g1004 g856g1008
g1004 g856g1009
g1004 g856g1010
g1004 g856g1011
g1004 g856g1012
g894g100g373g286g282g349g258g882 g100g258g373g271g349g286g374g410g286g895g876g47g396g396g258g282g349g258g374g272g349g258g3 g894g364g876g116g876g373 g1006g895
g286g296
g349g272g349
g286g374
g272g349g258
g1007g1004g3g282g286g3g58g437g374g349g381g3 g1006g1004g1004g1013
Figura 4.5: Eficiencia instantánea Vs. (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia
En este gráfico se puede apreciar que la eficiencia es un poco menor, esto se
puede deber a que los espejos no estaban bien enfocados individualmente a la hora de
comenzar con las medidas.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 122
6 de Julio (tercer día de ensayos)
Espejo con calibración (radiación directa) [w/m2]
Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10:53:00 504 495 506 472 477 462 402 389 352
11:07:00 523 529 512 494 473 459 421 398 375
11:30:00 439 506 508 502 485 456 445 391 376
11:45:00 498 501 497 495 484 457 428 418 395
12:10:00 499 518 523 495 494 460 449 400 396
12:20:00 474 487 494 499 484 476 448 438 463
12:30:00 488 492 495 495 490 472 448 453 408
12:40:00 484 495 489 511 492 483 455 447 437
12:50:00 470 457 474 490 477 468 470 464 436
13:00:00 462 456 476 463 474 477 477 460 435,
Tabla 4.7: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos
presión (atm) caudal másico (kg/s) Temperatura[C]
Hora Entrada Salida Entrada Salida
10:53:00 2,16 1,85 0,0020 27,2 134,0
11:07:00 3,25 2,42 0,0020 29,4 174,6
11:30:00 2,11 1,46 0,0020 31,3 180,3
11:45:00 2,56 1,85 0,0027 32,0 179,7
12:10:00 2,73 1,85 0,0027 32,3 177,8
12:20:00 2,78 1,94 0,0027 31,6 187,0
12:30:00 2,48 1,85 0,0027 31,2 173,2
12:40:00 2,64 1,65 0,0027 31,6 179,2
12:50:00 2,33 1,56 0,0027 34,6 185,0
13:00:00 2,46 1,56 0,0028 37,7 177,0
Tabla 4.8: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas
Hora Qsal (W) Qentrada (W) Eficiencia
10:53:00 5356 15605 0,34
11:07:00 5499 16085 0,34
11:30:00 5338 16268 0,32
11:45:00 7438 16036 0,46
12:10:00 7424 16268 0,45
12:20:00 7481 16388 0,45
12:30:00 7412 16303 0,45
12:40:00 7439 16500 0,45
12:50:00 7437 16167 0,46
13:00:00 7819 16066 0,48
Tabla 4.9: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 123
g455g3g1089 g3g882g1005 g856g1008 g1013 g1008 g1010g454g3g1085 g3g1004 g856g1011 g1007 g1010 g1012
g90g1016g3g1089 g3g1004 g856g1006 g1013 g1010 g1007
g1004 g856g1005 g1011 g1004 g856g1005 g1013 g1004 g856g1006 g1005 g1004 g856g1006 g1007 g1004 g856g1006 g1009 g1004 g856g1006 g1011
g1004
g1004 g856g1005
g1004 g856g1006
g1004 g856g1007
g1004 g856g1008
g1004 g856g1009
g1004 g856g1010
g894g100g373g286g282g349g258g882g100g258g373g271g349g286g374g410g286g895g876 g47g396g396g258g282g349g258g374g272 g349g258g3g894g364g876g116g876g373g1006 g895
g286g296
g349g272
g349g286
g374g272
g349g258
g1010g3g282g286 g3 g58g437g367g349g381g3 g1006g1004g1004g1013
Figura 4.6: Eficiencia instantánea Vs. (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia
Como era de esperarse, la eficiencia de un CLF con control manual de los espejos
disminuye notablemente. Para este ensayo, como se mencionó anteriormente los espejos
se enfocaron manualmente cada 10 minutos dado que era un tiempo prudente que nos
permitía tomar los datos y volver a enfocar los espejos.
7 de Julio (cuarto día de ensayos)
Espejo con calibración (radiación directa) [w/m2]
Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9
13:10:00 460 475 478 491 470 479 492 447 433
13:25:00 441 505 463 479 478 478 466 470 438
13:38:00 459 467 475 482 480 472 465 463 435
13:50:00 437 451 470 479 480 484 472 470 447
14:08:00 416 418 457 472 479 463 471 464 452
14:20:00 466 411 433 465 465 479 474 474 461
14:35:00 417 432 451 470 487 474 485 467 470
14:50:00 391 411 437 466 480 485 500 489 478
15:05:00 359 379 445 457 467 492 502 482 485
15:15:00 385 399 432 456 474 488 525 488 489
Tabla 4.10: Valores de radiación directa recibida sobre superficie de los espejos
presión (atm) caudal másico (kg/s) Temperatura [C]
Hora Entrada Salida Entrada Salida
13:10:00 1,77 1,00 0,0033 31,1 37,2
13:25:00 2,31 1,46 0,0030 36,6 153,4
13:38:00 2,47 1,65 0,0030 34,5 163,7
13:50:00 2,42 1,65 0,0030 38,8 165,1
14:08:00 2,52 1,65 0,0030 37,4 165,7
14:20:00 2,22 1,46 0,0030 35,2 168,6
14:35:00 2,24 1,37 0,0030 37,1 176,6
14:50:00 2,14 1,27 0,0030 35,8 172,1
15:05:00 2,16 1,27 0,0030 34,7 176,5
15:15:00 2,93 2,04 0,0030 32,6 138,3

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 124
Tabla 4.11: Valores de presión, caudal y temperaturas medidas
Hora Qsal (W) Qentrada (W) Eficiencia
13:25:00 7897 16213 0,48
13:38:00 7985 16134 0,49
13:50:00 7940 16107 0,49
14:08:00 7961 15739 0,50
14:20:00 8006 15873 0,50
14:35:00 8030 15965 0,50
14:50:00 8019 15903 0,50
15:05:00 8060 15635 0,51
15:15:00 7856 15903 0,49
Tabla 4.12: Calculo de potencia de entrada, de salida y eficiencia instantánea
g455g3g1089 g3g1004 g856g1007 g1012g1013 g1010g454 g3g1085 g3g1004g856g1008g1007 g1009g1013
g90g1016g3g1089 g3g1004g856g1011 g1009 g1010g1008
g1004 g856 g1005 g1006 g1004 g856g1005 g1008 g1004 g856g1005 g1010 g1004 g856g1005 g1012 g1004 g856g1006 g1004 g856g1006 g1006
g1004
g1004 g856 g1005
g1004 g856 g1006
g1004 g856 g1007
g1004 g856 g1008
g1004 g856 g1009
g1004 g856 g1010
g894 g100g373g286g282g349g258g882g100g258g373g271g349g286g374g410g286g895g876g47g396g396g258g282g349g258g374g272g349g258g3 g894g364g876g116g876g373 g1006g895
g286g296
g349g272g349
g286g374
g272g349g258
g1011g3g282g286g3g58g437g367g349g381g3 g1006g1004g1004g1013
Figura 4.7: Eficiencia instantánea Vs. (Tmedia-Tambiente)/Irradiancia
En este ultimo gráfico la eficiencia aumenta un poco respecto a la anterior esto se
debe a que reducimos los intervalos de enfoques manuales de los espejos a 5 minutos.
Con respecto a los valores de caudal este fue del orden 4 x 10-3 kg/s. Como se
mencionó este valor se determinó observando que todo el líquido que ingresa al equipo se
evapore. Una bomba conectada al circuito hidráulico, en la entrada, del sistema permitía
regular el flujo directamente.
La presión de funcionamiento del equipo se controló con un manómetro analógico
en la salida del mismo. La regulación se realizó con una llave de paso, de esta forma se
pudieron lograr saltos de presión entre entrada y salida de hasta 4 atm.
Un factor que influye significativamente en la cantidad de vapor generado y por lo
tanto en la eficiencia, es la correcta orientación de los diferentes espejos. En los primeros
dos días de medida se utilizó un seguimiento continuo con un motor paso a paso que
movía todos los espejos simultáneamente. Para el tercer y el cuarto ensayo los espejos
se orientaron manualmente. Aunque en todos los casos se obtiene un buen valor para la
eficiencia, es superior en término medio lo conseguido en el caso de orientar los espejos
de manera automática.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 125
Esta diferencia pone de manifiesto que la orientación de los espejos es una
variable crucial en la generación de vapor y para el caso de considerar una instalación de
mayor envergadura deberá ser una variable de control importante.
4.1.3. Análisis de las temperaturas de salida
Otro aspecto importante de estudiar en detalle es la temperatura y características
del vapor de salida ya que con esta información se tiene que contar a la hora de elegir la
maquina o turbina de vapor para la generación de electricidad.
A continuación se muestran las los gráficos de temperatura y potencia total
reflejada por los 43,2m2 de superficie espejada sobre superficie de los espejos para los
días ensayados.
4 de Junio (primer día de ensayos)
Hora Temperatura de Salida (C) Potencia captada (W)
10:35:00 29,7 15709
10:55:00 108,3 16355
11:10:00 144 16432
11:30:00 182,2 16748
11:50:00 189,3 16707
12:15:00 204,6 16715
12:30:00 199,9 16655
12:45:00 217,5 16835
13:00:00 194,7 16952
Tabla 4.13: Temperatura del vapor en la salida del equipo
g1009 g1004 g1004g1004
g1011 g1004 g1004g1004
g1013 g1004 g1004g1004
g1005g1005 g1004 g1004 g1004
g1005g1007 g1004 g1004 g1004
g1005g1009 g1004 g1004 g1004
g1005g1011 g1004 g1004 g1004
g1004
g1009g1004
g1005 g1004 g1004
g1005 g1009 g1004
g1006 g1004 g1004
g1006 g1009 g1004
g1005 g1004 g855 g1004 g1008g855 g1008g1012 g3g258g856g373g856 g1005g1005 g855 g1005 g1010 g855 g1008 g1012g3g258g856g373g856 g1005 g1006 g855 g1006 g1012g855 g1008g1012 g3g393g856g373g856 g1004g1005 g855 g1008 g1004 g855 g1008 g1012 g3g393g856g373g856
g90g258
g282g349
g258g272
g349g383
g374g3
g282g349
g396g286
g272g410
g258g3
g894g116
g895
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g931
g18g895
g100g349g286g373g393g381g3g894g346g381g396g258g895
g100g286g373g393g286 g396g258g410g437g396 g258g3g3g282g286g3g94g258g367g349g282g258g3 g894g931g18g895
g90g258g282g349g258g272 g349g383g374g3g282g349g396 g286 g272 g410g258g3g894g116g895
Figura 4.8: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día
En la figura anterior se puede apreciar que el equipo demora aproximadamente 1
hora en llegar a la temperatura de trabajo la cual es cercana a los 200 C, para este
ensayo se fijó la presión de trabajo cercana a 4 atm y el caudal en 0,004 Kg/s por lo tanto
a 200 C se obtuvo vapor sobrecalentado.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 126
30 de Junio (segundo día de ensayos)
Hora Temperatura de Salida (C) Potencia captada (W)
10:15:00 72,6 14744
10:30:00 131,6 15357
10:50:00 151,3 15417
11:00:00 135,0 15892
11:20:00 187,4 15897
11:50:00 169,1 16050
12:05:00 176,6 15897
12:20:00 197,6 16170
12:40:00 187,0 16320
13:00:00 184,0 15908
Tabla 4.14: Temperatura del vapor en la salida del equipo
g1009g1004g1004 g1004
g1011g1004g1004 g1004
g1013g1004g1004 g1004
g1005g1005g1004g1004 g1004
g1005g1007g1004g1004 g1004
g1005g1009g1004g1004 g1004
g1005g1011g1004g1004 g1004
g1004
g1009g1004
g1005 g1004g1004
g1005 g1009g1004
g1006 g1004g1004
g1006 g1009g1004
g1004g1013 g855 g1007g1010 g855 g1004 g1004g3g258g856g373g856 g1005g1004 g855 g1008g1012 g855 g1004 g1004g3g258g856g373g856 g1005 g1006 g855 g1004g1004 g855 g1004g1004g3g393g856g373g856 g1004g1005 g855 g1005g1006 g855 g1004g1004g3g393g856g373g856 g1004g1006 g855 g1006g1008 g855 g1004g1004g3g393g856g373g856
g90g258
g282g349
g258g272
g349g383
g374g3
g282g349
g396g286
g272g410
g258g3
g894g116
g895g3
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g931
g18g895
g100g349g286g373g393g381g3g894g346g381g396g258g895
g100g286g373g393g286 g396 g258g410g437g396 g258g3g3g282g286g3g94g258g367g349g282g258g3 g894g931g18g895
g90g258g282g349g258g272 g349g383g374g3g282g349g396 g286 g272 g410g258g3g894g116g895
Figura 4.9: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día
Para este caso se contaba con radiación menor por lo que se fijo el caudal en
0,0037 Kg/s. La temperatura fue menor (no supero los 200 C) ya que la presión de trabajo
fue fijada a 3atm, media atmosfera más baja que para el caso anterior.
6 de Julio (tercer día de ensayos)
Hora Temperatura de Salida (C) Potencia captada (W)
10:53:00 134 15605
11:07:00 174,6 16085
11:30:00 180,3 15791
11:45:00 179,7 16036
12:10:00 177,8 16268
12:20:00 187 16388
12:30:00 173,2 16303
12:40:00 179,2 16500
12:50:00 185 16167
13:00:00 177 16066
Tabla 4.15: Temperatura del vapor en la salida del equipo

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 127
g1009 g1004 g1004 g1004
g1011 g1004 g1004 g1004
g1013 g1004 g1004 g1004
g1005 g1005 g1004 g1004g1004
g1005 g1007 g1004 g1004g1004
g1005 g1009 g1004 g1004g1004
g1005 g1011 g1004 g1004g1004
g1005 g1013 g1004 g1004g1004
g1004
g1006 g1004
g1008 g1004
g1010 g1004
g1012 g1004
g1005 g1004 g1004
g1005 g1006 g1004
g1005 g1008 g1004
g1005 g1010 g1004
g1005 g1012 g1004
g1006 g1004 g1004
g1005 g1004 g855 g1008 g1012 g855 g1004 g1004 g3g258g856g373g856 g1005 g1005 g855 g1007 g1012 g855 g1006 g1008 g3g258g856g373g856 g1005 g1006 g855 g1006 g1012 g855 g1008 g1012 g3g393g856g373g856 g1004g1005 g855 g1005 g1013g855 g1005 g1006 g3g393g856g373g856
g90g258
g282g349
g258g272
g349g383
g374g3
g282g349
g396g286
g272g410
g258g3
g894g116
g895
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g931
g18g895
g100g349g286g373g393g381g3g894g346g381g396g258g895
g100g286g373g393g286 g396g258g410g437g396g258g3g282g286 g3g94g258g367g349g282g258g3 g894g931g18g895
g90g258g282g349g258g272 g349g383g374g3g282g349g396 g286 g272 g410g258g3g894g116g895
Figura 4.10: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día
Para este día de ensayo se posicionó los espejos manualmente, lo que hace que
la radiación reflejada hacia el absorbedor llega en forma intermitente ya que el espejo era
reenfocado cada 10 minutos. Este ensayo fue de gran utilidad para conocer cada cuanto
tiempo tiene que reposicionarse los espejos de manera automática. Para este día la
presión de salida elegida fue 2atm ya que con presiones menores no conseguíamos
mantener la temperatura de funcionamiento constante debido a las perdidas por
desenfoque
7 de Julio (cuarto día de ensayos)
Hora Temperatura de Salida (C) Potencia captada (W)
13:10:00 37,2 14744
13:25:00 153,4 15357
13:38:00 163,7 15417
13:50:00 165,1 15892
14:08:00 165,7 15297
14:20:00 168,6 16050
14:35:00 176,6 15897
14:50:00 172,1 16170
15:05:00 176,5 16320
Tabla 4.16: Temperatura del vapor en la salida del equipo

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 128
g1009g1004 g1004g1004
g1011g1004 g1004g1004
g1013g1004 g1004g1004
g1005 g1005 g1004g1004 g1004
g1005 g1007 g1004g1004 g1004
g1005 g1009 g1004g1004 g1004
g1005 g1011 g1004g1004 g1004
g1004
g1006 g1004
g1008 g1004
g1010 g1004
g1012 g1004
g1005g1004 g1004
g1005g1006 g1004
g1005g1008 g1004
g1005g1010 g1004
g1005g1012 g1004
g1006g1004 g1004
g1005g1006 g855 g1008 g1007g855 g1005g1006 g3g393g856g373g856 g1004g1005 g855 g1006 g1010 g855 g1006g1008 g3g393g856g373g856 g1004 g1006g855 g1004g1013 g855 g1007 g1010g3g393g856g373g856 g1004 g1006g855 g1009g1006 g855 g1008 g1012g3g393g856g373g856
g90g258
g282g349
g258g272
g349g383
g374g3
g282g349
g396g286
g272g410
g258g3
g894g116
g895
g100g286
g373
g393g286
g396g258
g410g437
g396g258
g3g894g931
g18g895
g100g349g286g373g393g381g3g894g346g381g396g258g895
g100g286g373g393g286g396 g258g410g437g396 g258g3g282g286g3g94g258g367g349g282g258g3 g894g18g931g895
g90g258g282g349g258g272 g349g383g374g3g282g349g396 g286 g272 g410g258g3g894g116g895
Figura 4.11: Temperatura de salida (C) en función de la hora del día
Para este último ensayo se realizo el enfoque manual de los espejos cada 5
minutos, lo que mejoro el funcionamiento del equipo, pero debido a que se contaba con
niveles de radiación menor que para el ensayo anterior, las temperaturas de salida que se
obtuvieron con alguno grados por debajo que las alcanzadas en el ensayo anterior.
4.2. Conclusiones del capítulo
De acuerdo a las medidas realizadas, el equipo ensayado funcionó muy bien en lo
que se refiere a la producción de vapor. Los valores de eficiencias estén en el orden de
magnitud de lo que se esperaba de acuerdo a la bibliografía consultada (Mills y Morrison,
2000) y a ensayos previos a los días de medida. Como se deduce de las gráficas
mostradas, son porcentajes altos, por lo tanto, es de esperar que este tipo de equipos
sean una alternativa en aplicaciones donde el vapor sea el fluido de trabajo, como por
ejemplo turbinas para la generación de electricidad.
Las experiencias realizadas no solo permitieron calcular valores de eficiencia,
además sirvieron para determinar otros factores relevantes que influyen sustancialmente
en la producción de vapor. Por ejemplo la orientación de cada uno de los espejos, el
seguimiento continuo, etc. son variables importantes en el control y automatización para
lograr una generación continua de vapor. Estos aspectos deben tenerse en cuenta en el
caso de considerar una construcción de mayor envergadura.
Para tener una estimación global del sistema se debe ensayar al prototipo durante
períodos de tiempo mayores de forma tal de abarcar diferentes épocas del año. Esto es
importante porque se obtendría una descripción global del comportamiento del prototipo,
pero para esto habrá que lograr automatizar la forma de mover los espejos de forma
continua. Además mejorando el tipo de pintura en el absorbedor, por ejemplo
incorporando superficies selectivas, los valores de eficiencia podrían ser aún superiores.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 129
CAPITULO 5
En este capítulo se desarrolló una simulación del sistema completo aprovechando
la ya realizada en el capítulo 2 del absorbedor programada con SIMUSOL. La radiación
fue simulada en FORTRAN tomando el modelo de Hottel (Hottel y Sarofim, 1967) e
incorporada al programa. Como punto de partida se tomó la configuración de circulación
de agua que se encontraba instalada en el campo experimental del INENCO en la
Universidad Nacional de Salta. Con ello se mejoró el modelo y se ajustaron algunos
parámetros como ser el coeficiente convectivo interno de los caños del absorbedor. Una
vez que se corroboró el buen funcionamiento de la simulación se ensayaron dos
configuraciones diferentes del sistema con recirculación de agua.
Se eligió una configuración con recirculación y para ella se evaluó su
funcionamiento en relación con distintos aspectos constructivos tales como: superficie
selectiva, reflectancia de los espejos, etc. Estos estudios permitieron conocer parámetros
característicos de trabajo como ser la eficiencia térmica global, temperaturas de trabajo,
caudales y radiación recibida por el absorbedor a cada hora y día del año para distintas
configuraciones posibles.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 130
5.1. Simulación numérica con SIMUSOL
Se estudia la simulación numérica del comportamiento térmico del CLF instalado
en el campo experimental del INENCO. El objetivo de esta simulación es evaluar posibles
esquemas de conexión, materiales y modos de funcionamiento para así evaluar
posibilidades de cambios, tanto en los materiales como en las configuraciones de los
equipos, en futuras instalaciones. Para ello, en primer lugar, se simula el sistema ya
instalado respetando dimensiones, materiales y configuraciones existentes, para
encontrar las variables de ajuste y poner a punto la simulación. A continuación se
ensayaron dos modelos de conexión y se evaluó el funcionamiento del segundo en
relación a distintos aspectos constructivos.
Para la primera simulación, con cambio de fase en el absorbedor, se tomaron
como variables de ajuste los valores de los coeficientes convectivos internos de los caños
del absorbedor del equipo original. Para ajustar la simulación se tomaron las medidas
experimentales mostradas en el capitulo anterior y las conclusiones obtenidas del
monitoreo del equipo, siendo las variables de entrada la radiación solar y la temperatura
ambiente. Los valores de los coeficientes convectivos internos de los caños encontrados
en esta primera etapa se utilizaron para las simulaciones con las dos configuraciones
ensayadas: con recirculación de agua con tanque de acumulación y con recirculación de
agua con tanque y retorno por el absorbedor.
En estas se utilizaron modelos de SIMUSOL para simular el comportamiento
térmico del absorbedor. SIMUSOL permite utilizar modelos que se definen con
anterioridad en un archivo de extensión .dia los cuales se llaman al programa cuando
estos son necesarios y se conectan a este mediante nodos antes definidos.
A continuación se muestra el símbolo que utiliza SIMUSOL para llamar a un
modelo.
Figura 5.1: Símbolo utilizado por SIMUSOL para llamar un modelo
Para este caso se utilizo el modelo para representar un tramo del absorbedor de
dos metros de largo que se conecta a la simulación mediante tres nodos de temperatura:
Temperatura ambiente, temperatura de los caños y temperatura del agua dentro de los
caños. Este modelo simula todos los intercambios de calor entre las distintas partes que
forman el absorbedor y además simula las pérdidas térmicas al ambiente. Se tomó como
base para este modelo la simulación térmica del absorbedor realizada en el capítulo 2.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 131
5.2.1. Primera configuración: Funcionamiento con cambio de fase en el
absorbedor
Para este equipo se utilizó una bomba de pistones con variador de velocidad para
ingresar el agua al absorbedor a temperatura ambiente, como se puede observar en la
figura 5.2. Esta bomba tiene como característica fundamental que mantiene el caudal
constante, independientemente de la presión que haya en el sistema y puede trabajar con
presiones superiores a los 4000 kPa. La presión de trabajo es fijada con una válvula que
se encuentra a la salida del sistema. Una vez que el agua ingresa en el absorbedor, ésta
aumentará su temperatura produciendo un cambio de fase. La temperatura de dicho
cambio de fase dependerá de la presión prefijada del sistema. Por la salida se obtiene
vapor sobrecalentado que será enfriado en un tanque de gran masa de agua para luego
ingresarla al sistema nuevamente a temperatura ambiente. Este tanque tiene la función de
actuar como intercambiador de calor devolviendo el agua al sistema a temperatura
ambiente.
Figura 5.2: Esquema de funcionamiento del equipo con producción de vapor en el
absorbedor.
Esta configuración, en la cual se trabaja con cambio de fase en el absorbedor,
tiene la ventaja de reducir costos ya que se ahorra el uso de una bomba de recirculación
así también como un tanque de presión y varias válvulas. Además la eficiencia térmica del
equipo mejora ya que al tener la presencia de mezcla agua-vapor en el absorbedor el
coeficiente de transferencia de calor aumenta.
La desventaja es que al no tener un tanque de acumulación de agua caliente a
presión no tiene inercia térmica, que podría contrarrestar el efecto de la disminución de
radiación por el paso de nubes ocasionales. Además al tener un cambio de fase en el
absorbedor existe la posibilidad que al aumentar la escala del equipo y trabajar con
longitudes más grandes puedan aparecer puntos calientes en los tubos, debido al
vaciamiento de los caños por evaporaciones súbitas.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 132
5.2.2. Modelo térmico con SIMUSOL equipo con cambio de fase
Para realizar el ajuste del modelo se contrastaron los resultados de la simulación
con los valores medidos en un día soleado del mes de junio en el concentrador lineal
Fresnel que se encuentra en las instalaciones del INENCO. Las variables de entrada del
modelo fueron los datos medidos de la temperatura de ingreso del agua y la temperatura
ambiente exterior. Se utilizaron los valores de los coeficientes de transferencia de calor
usados para simular las perdidas térmicas en el modelo de absorbedor (Altamirano et ál.,
2009). Las variables calculadas fueron la temperatura de los caños, la temperatura del
agua que circula por el absorbedor, la temperatura de salida del agua del absorbedor. Las
variables de ajuste fueron los coeficientes convectivos internos en los caños del
absorbedor.
En la simulación, el absorbedor fue dividido en tres secciones de dos metros cada una
para así completar los seis metros de largo que tiene el mismo. De esta forma se tuvo en
cuenta la distribución de temperatura a lo largo de los caños. Cada una de las partes fue
simulada mediante un modelo, las cuales reciben la energía reflejada por los espejos y
simulan las perdidas térmicas desde el absorbedor al ambiente. El modelo se conecta con
nuestro programa mediante tres nodos de temperatura:
• Tag: es la temperatura del agua acumulada en la sección de absorbedor de 2 m
de largo.
• Tbi: es la temperatura ambiente
• Tci: es la superficie de los caños del absorbedor donde incide la radiación.
Para simular la radiación directa proveniente de los espejos se usó el método de día
claro propuesto por Hottel (Duffie y Beckman, 2005), teniendo en cuenta las atenuaciones
producidas por los distintos ángulos de incidencia sobre los espejos. Este modelo fue
programado en Fortran y alimenta al programa cuando se simula la radiación incidente
sobre la superficie de los tubos del absorbedor como un flujo de energía (Gea et ál.,
2010).
Las hipótesis de trabajo para realizar la analogía eléctrico-térmica son las siguientes:
• Las propiedades térmicas de los materiales involucrados (conductividad térmica,
densidad y calor específico) son constantes a excepción de la capacidad calorífica
del agua a presión constante (Cp) que fue ingresada por tabla.
• La temperatura ambiente se mantuvo constante.
• No hay gradiente de temperatura a lo largo de las secciones de dos metros de
absorbedor.
• Los cinco caños que posee el absorbedor se modelizaron con un nodo de
temperatura y área equivalente.
• Los coeficientes convectivos no varían con la temperatura.
• No se tienen en cuenta las perdidas térmicas a lo largo de las cañerías de
recirculación.
• Las presiones en los circuitos se mantienen constantes.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 133
El circuito de recirculación de agua en los caños del absorbedor se simula uniendo los
tres nodos Tag mediantes flujos másicos que, dependiendo del tipo de conexión,
acumularán energía en un tanque a sobrepresión o la entregarán al condensador. Para el
caso de trabajar con cambio de fase en el absorbedor la conexión se cierra con un nodo
de gran masa que simula un condensador que absorbe el vapor proveniente del equipo y
le entrega agua a temperatura ambiente a la entrada del absorbedor, como se observa en
la figura 5.2.
5.2.2.1. Estimación de los coeficientes convectivos internos de los caños
La variable de ajuste del sistema fue el coeficiente convectivo interno de los caños.
Para realizar esta estimación se partió de valores calculados analíticamente, suponiendo
un flujo no turbulento en la entrada ya que el número de Reynolds no superaba los 2300
(Incropera y DeWitt., 1999), una zona turbulenta de mezcla (agua-vapor) para la zona
media y una zona de turbulencia de vapor para el último tramo (Gurgon y Winterton,
1986).
Para la entrada se calculo un Reynolds asociado a un caudal de 1.5 l/min por lo tanto se
supuso un caudal no turbulento y se calculo el coeficiente convectivo interno de los caños
para la entrada del absorbedor, ha, de la siguiente manera (Incropera et al., 1999)
DK=ha /4,36 (5.1)
donde K es la conductividad térmica del líquido y D es el diámetro interno del tubo.
Para la zona intermedia se supuso un coeficiente de mezcla TPh agua-vapor, el cual se
determina con el método de Chen (Collier y Thome, 1996). Dicho método consiste en
dividir la transferencia de calor en dos partes: la contribución microconvectiva,
(ebulliciónes nucleada), basadas en las ecuaciones de ebullición de Foster y Zumber
(Foster y Zumber, 1955); y la contribución macro convectiva (convección forzada)
basada en un fluido de una sola fase, ecuación de Dittus-Boelter. Estas dos se combinan
para dar un coeficiente global de transferencia
(5.2)
Donde se asume que el coeficiente convectivo puede ser representado con una
ecuación del tipo Ditttus-Boelter.
(5.3)
La conductividad y los números adimensionales (Reynolds) y (Prandtl)
están asociados a los valores efectivos de la mezcla agua vapor.
Sin embargo ya que el calor se transfiere a un anillo circular interno del caño, Chen
argumenta que es razonable tomar la conductividad térmica del líquido en la ecuación (3)
y define un parámetro
(5.4)

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 134
Donde es el flujo másico y la viscosidad de la fase líquida.
La ecuación (3) se puede rescribir como
(5.5)
El único valor desconocido en la ecuación anterior es el valor de pero ya que
esta relación depende de un solo parámetro de flujo, este se lo puede expresar en función
del parámetro de Martinelli
(5.6)
Donde son las densidades y viscosidades de las fases liquidas ( y
gaseosas respectivamente.
En la figura siguiente se puede ver la relación entre y , la cual se obtiene en
base a datos experimentales.
Figura 5.3: F esperimental de Chen
Escribiendo la ecuación para usando el análisis de Forter y Zumber con
valores efectivos de sobrecalentamiento y diferencias de presiones en el vapor (Forter y
Zumber, 1955)
(5.7)
Donde es el calor latente de vaporización
Chen define un factor de supresión
(5.8)
Usando la ecuación de Clausius-Clapeyron podemos reescribir la ecuación (7) de
la siguiente forma
) (5.9)

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 135
Chen sugiere que S es función del número de Reynolds de la mezcla agua-vapor
.
Las funciones F y S se estiman empíricamente usando datos experimentales, que fueron
corroborados por Gungor y Winterton.
A continuación se muestra la dependencia de S con .
Figura 5.4: Factor de supresión en función del número de Reynolds de la mezcla (Gungor
y Winterton, 1986)
Para la salida se supuso que todo el líquido se había vaporizado y se calculó el
coeficiente convectivo para el vapor con el numero de Nusselt (Incropera, 1999).
(5.10)
Una vez obtenidos estos valores para las temperaturas normales de trabajo, se
procedió a ajustar la simulación variando los coeficientes dentro de los órdenes de
magnitud obtenidos.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 136
5.2.2.2. Circuito térmico para SIMUSOL
A continuación se muestra el circuito térmico para simulación con cambio de fase
dibujado en DIA, el cual es usa para la simulación con SIMUSOL.
Figura 5.5: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo con producción
de vapor en el absorbedor.
5.2.3. Ajuste de la simulación
Para este ajuste se compararon las medidas de la temperatura de salida del
absorbedor (temp) tomadas hasta el mediodía solar para el 4 de junio con los valores
simulados de la temperatura de salida (Tag3) para el mismo día para así encontrar los
valores que mejor ajustan a los coeficientes convectivos.
Las medidas se realizaron hasta el mediodía solar debido a problemas con el
sistema de seguimiento de los espejos. El cual contaba con un solo motor paso a paso y
los espejos presentaban problemas de balanceo. Dicho problema nos obligaba a parar los
ensayos a mediodía para recalibrar los espejos.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 137
Figura 5.6: Comparación entre datos medidos y simulados de la temperatura de salida del
agua en el absorbedor
Los valores de los coeficientes convectivos internos de los caños del absorbedor
encontrados fueron:
Para la entrada (liquido) 600 KJ/kg
Para la parte media (mezcla liquido-vapor) 900 KJ/kg
Para la salida (vapor) 700 KJ/kg
5.2.4. Resultados simulación del equipo sin recirculación
Para cada día se simuló siete horas y media de funcionamiento, empezando a las
8:30 hs. de la mañana que es el horario en el que comienza a recibir radiación directa. La
simulación se extiende hasta las 16:00 hs. Todas las temperaturas iniciales fueron fijadas
a 25 grados.
La eficiencia térmica instantánea del equipo se calculo mediante (Rabl, 1985)
(5.11)
Donde: es el caudal másico (kg/s), Cpi es la capacidad calorífica (J/ CKg)(ya sea
agua, mezcla o vapor), Tsal y Tent son las temperaturas de salida y entrada
respectivamente(ªT), A es el área de la superficie de captación(m2) y I es la irradiancia
directa incidente(W/m2).
En la figura 5.7 se muestra el comportamiento térmico del equipo con cambio de
fase en el absorbedor para los solsticios de verano e invierno. También para los
equinoccios de primavera y otoño, figura 5.8. Esto permite tener una idea general del
funcionamiento a lo largo de un año. En la figura 5.7 se puede observar la gran diferencia
de las temperaturas máximas que alcanza cada sección del absorbedor para los
solsticios. También se puede observar en la figura 5.8 que no existen grandes diferencias
en las temperaturas ni en las eficiencias para los equinoccios.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 138
(a) (b)
Figura 5.7: Comparación de temperaturas y eficiencias en funcionamiento con cambio de
fase (a) 21 de diciembre (b) 21 de julio
(a) (b)
Figura 5.8: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
cambio de fase (a) 21 de marzo (b) 21 de septiembre.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 139
5.3. Segunda configuración: Funcionamiento en recirculación con un tanque
de acumulación
Para este modo de funcionamiento el circuito absorbedor-bomba se cierra con un
tanque de presión, como se observa en la figura 5.9. El circuito se carga y se lleva a la
presión de trabajo con una segunda bomba; dicha bomba es la encargada de mantener la
presión del sistema ingresando agua en el caso de que la presión baje. En estas
condiciones se establece un circuito de recirculación entre el absorbedor y el tanque a
presión donde el agua es impulsada por la bomba de recirculación hasta alcanzar la
temperatura de trabajo. Una vez alcanzada esta temperatura se puede abrir la válvula
produciéndose una evaporación por flash. En el caso de que se requiera vapor
sobrecalentado se deberá usar un segundo tanque que fijara la presión.
Figura 5.9: Esquema de funcionamiento del equipo con tanque de recirculación.
Este modelo de funcionamiento tiene la ventaja que al trabajar con un tanque de
presión permite contar con una inercia térmica que puede absorber las fluctuaciones en la
radiación directa. Además, al no haber cambio de fase en el absorbedor, se evitan los
problemas de puntos calientes.
Las desventajas de este modo de conexión son que al no tener vapor en el
absorbedor disminuyen los valores de los coeficientes convectivos en los tubos y con ello
el rendimiento. Otra desventaja es que aumentan los costos debido a la utilización de una
segunda bomba y un tanque así como también las complicaciones en el sistema de
control. Además para este modo de funcionamiento, el sistema de recirculación debe
soportar mayores exigencias ya que trabaja con temperatura y presión más elevadas.
5.3.1. Modelo térmico con SIMUSOL del equipo con recirculación de agua
Para el caso de trabajar con un tanque a sobrepresión el circuito se cierra con un
nodo de temperatura que simula un tanque de 110 litros del cual se puede extraer vapor
mediante una válvula. El agua sale produciendo una evaporación por flash simulada por
una fuente de calor. Al sistema ingresa el agua mediante una bomba que mantiene la
presión elevada para mantener la fase líquida. Para fijar los valores de los flujos másicos
se tuvieron en cuenta los valores de trabajo reales de las bombas de recirculación de

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 140
agua caliente. Dicha válvula se abre recién cuando la temperatura del tanque alcanza la
temperatura de trabajo fijada en el programa. El vapor extraído representado por una
fuente de flujo másico, se conecta con un nodo de temperatura asociado a un acumulador
de gran masa que actúa como condensador y absorbe el calor entregado para devolver
agua a temperatura ambiente a la bomba que se simula con una fuente másica (Figura
5.10).
Las hipótesis con que se trabajó para realizar la analogía eléctrico-térmica son las
siguientes:
• Las propiedades térmicas de los materiales involucrados (conductividad térmica,
densidad y calor específico) son constantes a excepción de la capacidad calorífica
del agua a presión constante (Cp) que fue ingresada por tabla.
• La temperatura ambiente se mantuvo constante.
• No hay gradiente de temperatura a lo largo de las secciones de dos metros de
absorbedor.
• Los cinco caños que posee el absorbedor se modelizaron con un nodo de
temperatura y área equivalente.
• Los coeficientes convectivos no varían con la temperatura.
• No se tienen en cuenta las perdidas térmicas a lo largo de las cañerías de
recirculación.
• Las presiones en los circuitos se mantienen constantes.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 141
Figura 5.10: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo de
funcionamiento con recirculación.
5.3.2. Resultados de simulación del sistema con tanque de acumulación
Se pueden observar en la figura 5.11, las curvas de funcionamiento del equipo con
recirculación para los solsticios de diciembre y junio. En ellas se pueden apreciar que la
diferencia no es tan grande en cuanto a las temperaturas alcanzadas ya que estas se fijan
con la apertura de la válvula del tanque. Donde sí se pueden apreciar diferencias es en el
tiempo que tarda el equipo en llegar a las condiciones de funcionamiento.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 142
(a) (b)
Figura 5.11: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
recirculación (a) 21 de junio (b) 21 de diciembre
En la figura 5.12 se pueden ver las temperaturas y las eficiencias del equipo con
recirculación para los equinoccios. Al igual que en los casos antes mostrados no se
encuentran grandes diferencias en su funcionamiento.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 143
(a) (b)
Figura 5.12: Comparación de temperaturas y eficiencias de funcionamiento con
recirculación (a) 21 de marzo (b) 21 de septiembre.
Al igual que en el caso sin recirculación se puede ver que el equipo se comporta
de manera similar para los equinoccios como era de esperarse.
5.4. Tercera configuración: Funcionamiento en recirculación con un tanque
de acumulación y retorno en el absorbedor
Esta configuración, al igual que la anterior, funciona con recirculación de agua a
sobrepresión pero además posee doble circulación de agua en el absorbedor para evitar
pérdidas térmicas en los tubos caloportadores al regresar al tanque y aumentando el
trayecto que se encuentra el fluido caloportador en el absorbedor haciendo la etapa de
calentamiento más gradual evitando también la formación de puntos calientes debido a la
evaporación por flash en el absorbedor.
En la figura 5.13 se puede apreciar el esquema de funcionamiento

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 144
Figura 5.13: Esquema de circuito de recirculación de agua en un CFL
El calentamiento con esta configuración es gradual no habiendo grandes
diferencias de temperaturas en los distintos tubos del absorbedor lo que facilita los
asientos de los tubos en la cavidad trapezoidal ya que los mismos tienen que ser móviles
para asimilar las deformaciones de los tubos por expansión y contracción térmica. Por
otra parte con esta configuración se busca disminuir las perdidas térmicas.
Para la tercer simulación, con recirculación en el absorbedor, se dividió el
absorbedor en 3 partes, cada una representa una sección del absorbedor de dos metros
de largo, a su vez cada una de estas secciones fue dividida en dos partes una representa
la parte central del absorbedor con tres tubos caloportadores y la otra la parte lateral con
los dos tubos restantes. Las perdidas térmicas en el absorbedor se simularon teniendo en
cuentas los intercambios conductivos, convectivos y radiativos entre los tubos
caloportados, la cavidad trapezoidal aislante y el ambiente.
En la última configuración se realizaron modificaciones en el absorbedor dividiendo
los caños en dos grupos: uno formado por los dos caños del centro del abosrbedor y otro
por los 2 caños de los extremos.
El ajuste del modelo se realizó tomando los valores de los coeficientes convectivos
internos de los caños del trabajo calculados anteriormente (Altamirano et al., 2010). Las
variables de entrada fueron las temperaturas ambientes e iniciales del sistema así
también como la radiación directa proveniente de los espejos. Las variables calculadas
fueron las temperaturas del agua en tres partes del absorbedor (ingreso, parte media y
salida) y la temperatura en el tanque de recirculación.
Las hipótesis de trabajo que se usaron para esta simulación son:

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 145
• Las propiedades térmicas de los materiales involucrados (conductividad térmica,
densidad y calor específico) son constantes a excepción de la capacidad calorífica
del agua a presión constante (Cp) que fue ingresada por tabla.
• La temperatura ambiente se mantuvo constante.
• No hay gradiente de temperatura a lo largo de las secciones de dos metros de
absorbedor.
• Los coeficientes convectivos no varían con la temperatura.
• No se tienen en cuenta las perdidas térmicas a lo largo de las cañerías de
recirculación.
• Las presiones en los circuitos se mantienen constantes.
Los modelos 1, 2 y 3 (figura 5.14) simbolizan los intercambios de calor en las tres
secciones del absorbedor, los mismos re relacionan con el programa mediante 5 nodos de
temperatura. Dos nodos que representan las superficies de los tubos (uno de los 2 tubos
exteriores y el otro la de los 3 tubos interiores), dos que representan la superficie de los
tubos donde incide la radiación y un último que representa la temperatura ambiente. La
recirculación de agua se hace por medio de fuentes másicas y el tanque de sobre presión
mediante un nodo Tag, el otro tanque se usa como radiador para enfriar el vapor antes de
ser reingresado al tanque. El vapor extraído representado por una fuente de flujo másico,
se conecta con un nodo de temperatura asociado a un acumulador de gran masa que
actúa como condensador y absorbe el calor entregado para devolver agua a temperatura
ambiente a la bomba que se simula con una fuente másica.
La válvula que regula la extracción de vapor del tanque se calculó mediante una
función que acciona recién cuando la temperatura alcanza los 140 grados (temperatura de
trabajo propuesta), el caudal de vapor se maximiza ya que el mismo se fija con otra
función que tiene en cuenta el calor máximo que se puede extraer del sistema teniendo en
cuenta las temperaturas de entrada y salida del absorbedor.
(5.12)
Donde es el calor latente de vaporización.
En la figura 5.14 se muestra el esquema térmico-eléctrico ingresado para la
simulación.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 146
Figura 5.14: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el modo de
funcionamiento con tanque de acumulación y recirculación en el absorbedor.
5.4.1. Resultados de simulación del sistema con tanque de acumulación y
recirculación en el absorbedor
En primer lugar se muestran los valores simulados de las temperaturas de entrada
salida, temperatura media de tanque de acumulación y eficiencia global del equipo
instalado en el campo experimental del INENCO en la Universidad Nacional de Salta,
para un día típico de primavera (figura 5.15). El equipo simulado cuenta con espejos
convencionales con alto contenido de hierro (reflectancia 0,78) y sin pintura selectiva
(emitancia de los tubos absorbedores 0,9).

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 147
(a) (b)
Figura 5.15: Simulación del equipo sin modificaciones.
En la figura 5.15(a) se puede apreciar que las temperaturas de entrada y salida del
absorbedor suben de manera conjunta con la temperatura del tanque hasta que esta
alcanza los 134 grados, momento en el cual es se abre la válvula y comienza la
extracción de vapor, en este momento la temperatura del tanque se mantiene constante
ya que la válvula se regula para extraer el máximo vapor del equipo a esta temperatura.
En la figura 5.15 (b) se puede ver que una vez que el equipo alcanza la temperatura de
trabajo la eficiencia térmica promedio del equipo es 66%.
En la figura 5.16 se muestras la curvas de las temperaturas de funcionamiento y la
eficiencia para el mismo equipo pero funcionando con pintura selectiva en los en los
caños del abosorbedor (emitancia 0,3 y absortancia 0,95).
(a) (b)
Figura 5.16: Simulación del equipo funcionando con pintura selectiva

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 148
Como se puede apreciar en la figura 5.16 la temperatura no varía de gran manera
con respecto a las curva sin pinturas selectivas, para este caso la eficiencia térmica
promedio es 69%, solo un 3% mejor.
A continuación se muestran las curvas de temperaturas y eficiencia del equipo con
espejos de bajo contenido en hierro (reflectancia 95%).
(a) (b)

Figura 5.17: Simulación del equipo funcionando con vidrio blanco
La eficiencia térmica promedio para este caso es mucho mayor, 77%, lo que nos
dice que un aumento de un 17% en la reflectancia incide casi directamente en la eficiencia
global del equipo.
El último caso que se analizó fue el equipo funcionando sin pintura selectiva ni
espejos de vidrio blanco pero se le agrego una fila de espejos, aumentando el área de
colección de 43.2 m2 a 48m2. El propósito de este estudio es analizar si es conveniente
invertir en mejoras de materiales o en ampliar el área de colección usando los mismos
materiales.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 149
(a) (b)
Figura 5.18: Simulación del equipo funcionando área extendida
Como se ve en el gráfico la eficiencia global no cambia ya que si bien el área de colección
es mayor los caudales extraídos son mayores manteniéndose la eficiencia térmica en
66%. Pero si comparamos los caudales de producción (figura 5.19) se puede ver un
aumento en el caudal promedio, esto nos permitirá decidir si nos conviene más invertir en
pintura selectiva que mejora la eficiencia y con ello el caudal o aumentar el área de
espejos.
(a) (b)
Figura 5.19: Simulación del caudal producido con un equipo de (a) área 43.2 m2 y (b)
48m2
Se puede apreciar en las figura 5.19 como aumenta el caudal de 46,1 kg/h a 52,2
kg/h en promedio para las horas de funcionamiento del equipo (Altamirano et al, 2011).
En la Tabla 5.1 se muestran datos comparativos entre eficiencia y caudal másico
para los diferentes equipos estudiados.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 150
Equipo
Eficiencia
(%)
Caudal
(Kg/hs)
sin modificaciones 66,8 46,3
con pintura
selectiva 69,6 48,3
con espejo blanco 77,1 53,5
con área extendida 66,9 52,2
Tabla 5.1: Comparación entre eficiencia y caudales de los equipos estudiados.
5.5. Conclusiones del capítulo
En este capítulo se mostró una simulación del comportamiento térmico de un CFL
con el fin de estudiar distintos parámetros de funcionamiento y evaluar posibles
modificaciones de materiales y constructivas para mejorar su rendimiento.
Analizando los gráficos de funcionamiento del equipo se observó que usando la
ecuación (5.12) se puede regular el caudal de extracción de manera de garantizar el
máximo rendimiento. Esto a su vez permite controlar la temperatura en el tanque de
acumulación, ya que al maximizar la extracción uno se asegura que no se eleven las
presiones del tanque al extraerse todo el calor excedente.
Por otro lado la regulación del caudal planteada puede ser fácilmente llevada a la
práctica controlando los 4 variables, tres temperaturas (tanque, entrada y salida del
absorbedor) y el caudal másico de vapor medido en la salida.
Comparando los datos de la figura 5.13 y 5.14 se puede ver que el uso de la
pintura selectiva no afecta de gran manera a la eficiencia global del equipo, solo un 3%.
Esto se debe a que las pérdidas térmicas en el absorbedor sólo representan un 10% en la
eficiencia global del equipo (Flores Larsen, et al, 2011)(Singh et al, 2010). Estos
resultados no justifican el uso de pinturas selectivas debido a que su implementación es
muy costosa y sus beneficios no son grandes.
En la tabla 5.1 se puede apreciar por un lado que el uso de vidrio blanco aumenta
de gran manera la eficiencia y esto se ve reflejado en el caudal másico de vapor que se
puede extraer del equipo y por otro lado al aumentar el área de colección, si bien la
eficiencia no aumenta, el caudal lo hace de gran manera. Estos resultados muestran la
importancia de un análisis económico teniendo en cuenta el caudal de producción de
vapor y no tanto la eficiencia a la hora de diseñar un equipo de gran área.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 151
CAPITULO 6
En este capítulo se presentan los avances y modificaciones implementados en el
prototipo de un concentrador Fresnel pensado para ser instalado en el marco del proyecto
PFIP 2009 para la Ciudad de San Carlos provincia de Salta. El proyecto PFIP fue
presentado con el objetivo de construir dos prototipos, uno de 86 m2 situado sobre los
4000 m.s.n.m. en las instalaciones de la empresa Minera del Altiplano y otro de 200 m2
situado en el predio de un productor de pimiento para pimentón. Estos prototipos son de
escala real y están formados por módulos de de 54 m2 de área de colección con un factor
de concentración cercano a 40. Los equipos están desarrollados para ser acoplados en
serie o en paralelos según sus requerimientos y pueden usarse para producción de vapor
para usos industriales o para generación de electricidad. En este capítulo se muestran
detalles de la construcción y mejoras que surgieron del estudio anterior.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 152
6.1. Descripción del proyecto
El objetivo del proyecto es el desarrollo, construcción y transferencia de módulos
de generadores de vapor y energía eléctrica basados en el uso de concentradores solares
de tipo Fresnel lineal que al ser replicados por las empresas interesadas puedan
satisfacer las necesidades de vapor a alta temperatura para procesos físico-químicos
industriales o para producción energía eléctrica.
El módulo de producción de energía eléctrica también podrá servir de base para
construir centrales Solares térmicas de mayor potencia. Esta etapa será un paso
intermedio conveniente para obtener la experiencia necesaria.
Los concentradores Fresnel estarán formados por 10 líneas de espejos planos en
paralelo de 90 cm de ancho y 6 m de largo cada uno, unidos para llegar a una longitud
total de 50 m. Los espejos se colocan a 1 m del suelo, y se mueven siguiendo la
trayectoria aparente del sol. Ellos concentran los rayos solares sobre un absorbedor
formado por 5 caños colocados paralelamente a los espejos a una altura de 8 m, con la
misma longitud de los espejos. El agua a presión entra por un extremo de los caños y los
recorre siendo calentada por los rayos solares que llegan de los espejos.
Se plantea el desarrollo de dos módulos. Uno producirá vapor a alta temperatura y
será financiado y construido por la empresa Minera del Altiplano quien lo colocará para su
ensayo en sus instalaciones existentes en la Puna de manera que pueda ser puesto a
punto en condiciones meteorológicas extremas. El INENCO proveerá la asistencia técnica
necesaria para la construcción del equipo. Su área será del orden de los 86 m2 generando
vapor a 10 kg/cm2 y 180 C.
El segundo tendrá 260 m2 de espejos y producirá vapor a 40 kg/cm2 y 270 C, lo
que exige especificaciones más estrictas que el primer módulo. Se colocará en un lugar
elegido por su alto nivel de radiación y por la posibilidad de conexión a una línea eléctrica
de 33 KV interconectada a la red nacional entre otras variables.
A través de los fondos solicitados en este proyecto se construirán los módulos
necesarios para completar el prototipo y un acumulador para permitir la generación
nocturna de electricidad.
6.1.1. Justificación del proyecto
La producción de energía mediante el uso de la radiación solar tiene una
importancia grande en dos aspectos:
1) Puede substituir el uso de combustibles convencionales a medida que sus
reservas no abastezcan la demanda nacional. Es sabido que las reservas han disminuido
y se debe encarar una solución a través de fuentes alternativas de energía. La energía
solar se caracteriza por su alto potencial pudiendo abastecer las demandas futuras a largo
plazo.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 153
2) El uso de la energía solar implica una disminución sustancial de la
contaminación energética ya que no se producen gases contaminantes. Su uso provee
una solución a los problemas del cambio climático que comienza a apreciarse a nivel
mundial.
El desarrollo que aquí se propone, en combinación con otras formas de energía
alternativa, brinda una solución a largo plazo para los problemas ocasionados por el
consumo de las energías convencionales, lo que tendrá consecuencias muy fuertes en la
forma que se organizará la sociedad
3) También se insiste a nivel internacional que el uso de estas nuevas fuentes es
un fuerte dinamizador de la economía debido a que son una fuente de trabajo importante
por a la necesidad de cubrir grandes superficies de colectores para su uso masivo. Cabe
destacar que el desarrollo propuesto permitirá la construcción nacional de estos equipos
por lo que las oportunidades de trabajo podrán ser aprovechadas en su totalidad
A los efectos de llevar a cabo este desarrollo se seleccionaron empresas mineras
por los problemas energéticos que estas presentan al tener que trabajar en zonas
aisladas y están buscando alternativas factibles. Se espera que cuando estos equipos
sean conocidos se abrirán oportunidades de uso en muchas industrias de diferente
tamaño. Por otro lado, el uso en cogeneración por parte de los productores locales para el
secado de pimiento o eventualmente la extracción de esencias permite darle un uso
directo al módulo a construir.
6.2. Instalación en Minera del Altiplano
Planos de planta
Se realizaron los planos de planta para los ensayos en el campamento Fénix. El
objetivo de instalar un equipo de 86 m2 en el campamento de la Minera del Altiplano es
realizar ensayos de eficiencia y evaluar el comportamiento de distintos materiales frentes
a condiciones climatológicas severas que presenta la puna. El campamento se encuentra
sobre el límite entre las Provincias de Catamarca y Salta a 4200 m.s.n.m. por lo que
recibe una de las radiaciones solares más altas del planeta lo que lo hace un desafío muy
interesante, pero el hecho de estar situado a esa altura genera amplitudes térmicas que
pueden superar los 30 grados y fuertes ráfagas de vientos.
La idea de realizar ensayos de esta tecnología es remplazar el gran consumo de
gas que tiene el campamento ya sea para calefacción del mismo como para procesos de
extracción de litio. En la actualidad se encuentran instaladas calderas convencionales de
gas natural del tipo humo tubular de dos pasos que producen 26500 kg/h de vapor por día
a 180 C y 10 bar. Se piensa que en un futuro cercano se puede remplazar de manera total
o parcial el consumo de gas durante las horas diurnas y algunas horas de la noche
mediante sistemas de acumulación en hormigón.
Para esta etapa de prueba se trabajará con agua tratada como fluido
caloportador, se tomara el recaudo de vaciar las cañerías cuando el equipo no esté

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 154
funcionando, se piensa para un futuro poner resistencias disipadoras de calor para evitar
el congelamiento en horas nocturnas.
Se tiene pensado trabajar en una primera instancia con 8 filas de espejos de 0,9 m
de ancho por 6 de largo con un factor de concentración de 30. El absorbedor se sitúa a 7
metros sobre la línea de los espejos. Este equipo tiene un factor de concentración menor
que el que se instalará en San Carlos puesto que los requerimientos de calor de la minera
son menores a los necesarios para producir electricidad con eficiencias aceptables. En
caso de ser necesario la altura del absorbedor permite acoplar dos filas de espejos en los
laterales de manera de aumentar el factor de concentración y con ello las presiones y
temperaturas de trabajo.
A continuación se muestran la localización dentro del campamento Fénix de
Minera del Altiplano donde se está construyendo la planta.
Figura 6.1: Emplazamiento del equipo en el Campamento Fénix en la Minera del Altiplano
(google maps, 2014).
Para este ensayo se piensa trabajar con un sistema a circuito cerrado para poder
recuperar el agua tratada. Para ello se ensayará un sistema pequeño de acumulación de
hormigón que servirá como primer intercambiador para enfriar el agua que proviene del
absorbedor. Se conectará un intercambiador aire agua para bajar la temperatura del agua
a temperaturas menores a 75° que puedan ser almacenadas en un tanque para luego ser
recirculada. A continuación en la figura 6.2 se muestra el plano de planta.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 155
6.2.1. Planos de planta
Figura 6.2 Plano de planta de equipo de 86 metros cuadrados.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 156
6.3. Instalación en San Carlos
Se realizaron los planos de planta para los ensayos en San Carlos. El objetivo de
instalar un equipo de 270 m2 en la localidad de San Carlos es realizar ensayos de
eficiencia y evaluar el comportamiento de distintas partes y materiales de equipo.
Figura 6.3: Emplazamiento del equipo en la localidad de San Carlos (google maps, 2014).

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 157
6.3.1. Plano de planta
Figura 6.4: Plano de planta del la instalación del equipo en San Carlos.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 158
6.4. Equipo simulado
Se simuló un equipo de 86m2 situado en la localidad de San Carlos para tener una
idea del comportamiento del equipo instalado en la primera etapa de proyecto. Para
evaluar el funcionamiento del concentrador solar en condiciones normales de trabajo se
utilizó el programa estudiado en el capítulo 5 con las modificaciones en las dimensiones.
El absorbedor está formado por cinco tubos de 12 m de longitud ubicados en
paralelo entre sí, pero por simplicidad se considera que el fluido circula por un solo caño
de área equivalente. El absorbedor fue divido en 6 segmentos (cada uno representado por
un nodo de temperatura).
Las pérdidas térmicas en el absorbedor se simularon teniendo en cuentas los
intercambios conductivos, convectivos y radiativos entre los tubos caloportadores, la
cavidad trapezoidal aislante y el ambiente con los coeficientes ajustados en el capítulo
anterior (Altamirano et al., 2009).
Se fijó una presión de trabajo de 12 kg/cm2 lo que implica una temperatura de
cambio de fase para el fluido de trabajo (agua) de 190 C. Se fijó el caudal mediante una
tabla de temperatura vs caudal de manera tal que maximiza el caudal de vapor extraíble
del equipo garantizando una producción de vapor sobre-calentado 40 C por encima de la
temperatura de cambio de fase durante la mayor cantidad de horas posibles.
Para las fuentes másicas que simulan el caudal de recirculación en el absorbedor
se tuvo en cuenta la variación del Cp con la temperatura y la fase del fluido que
corresponda (líquido o vapor), para el caso que la temperatura fuese la de cambio de fase
se tuvo en cuenta un Cp ponderado de la mezcla agua-vapor considerando la fracción de
vapor.
Las hipótesis consideradas para el desarrollo del circuito térmico de SIMUSOL
son:
• Las propiedades térmicas de los materiales involucrados (conductividad térmica,
densidad y viscosidad) son constantes a excepción de la capacidad calorífica del
agua a presión constante (Cp) que fue ingresada por tabla.
• La temperatura ambiente se mantiene constante a lo largo del día. Se calcula
como promedio mensual entre temperaturas máxima y mínima de los meses
simulados.
• No hay gradiente de temperatura a lo largo de las secciones de dos metros de
absorbedor.
• Los cinco caños que posee el absorbedor se modelizaron con un nodo de
temperatura y área equivalente.
• Cada nodo de absorbedor representa una sección de dos metros de largo.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 159
• Los coeficientes convectivos no varían con la temperatura, a excepción del
coeficiente convectivo entre el fluido caloportador y los tubos del absorbedor que
fue calculada en función de la fase en la que se encuentra el fluido.
• No se tienen en cuenta las pérdidas térmicas a lo largo de las cañerías de entrada
y salida.
• La presión en el circuito se mantiene constante.
6.4.1. Modelo térmico con SIMUSOL
Para simular el equipo con SIMUSOL, el absorbedor fue dividido en seis secciones de
dos metros cada una. De esta forma se tuvo en cuenta la distribución de temperatura a lo
largo del mismo. Cada una de las partes fue simulada mediante un modelo, los cuales
reciben la energía reflejada por los espejos y simulan las perdidas térmicas desde el
absorbedor al ambiente. Cada modelo se conecta con el programa principal mediante tres
nodos de temperatura:
• Tag: es la temperatura del agua acumulada en la sección de absorbedor de 3
metros de largo.
• Tamb: es la temperatura ambiente
• Tci: es la superficie de los caños del absorbedor donde incide la radiación.
Para simular la radiación directa proveniente de los espejos se usó el método de día
claro propuesto por Hottel (Duffie and Beckman, 2005), teniendo en cuenta las
atenuaciones producidas por los distintos ángulos de incidencia sobre los espejos. Este
modelo fue programado en Fortran y alimenta al programa cuando se simula la radiación
incidente sobre la superficie de los caños del absorbedor como un flujo de energía (Gea et
al., 2010). Para incluir el porcentaje de radiación reflejada por los espejos se consideraron
valores medios de reflectancia para espejos de 3mm de espesor con soporte de vidrio
común, (Hongn et al., 2011).

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 160
Figura 6.5: Circuito térmico simulado mediantes SIMUSOL para el equipo de 86m2 de
área de colección.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 161
La simulación se realizó durante 10 horas comenzando a las 8 de la mañana,
terminando así a las 18 horas. La hora corresponde a la hora solar y no a la de uso
horario. Se simularon los 4 días que representan los cambios de estación, para los días
21 de Diciembre, Marzo, Junio y Septiembre.
6.4.2. Resultados de las simulaciones
Se muestran los resultados de la simulación de las temperaturas de agua (C) en
función de la hora y también la eficiencia del sistema para el 21 de Diciembre y 21 de
Junio.
21 de Diciembre
(a) (b)
Figura 6.6: a) Gráfico de temperaturas de agua en el absorbedor (C) vs hora solar. En b)
se observa la eficiencia del sistema vs hora solar. Día simulado, el 21 de Diciembre.
Como se puede observar de la figura 6a el cambio de fase comienza cuando la
temperatura de salida alcanza los 190 C aproximadamente media hora después de
encendido. Entre las 8:30 hs y las 10 hs se observa una meseta debido a que no se llega
a evaporar todo el fluido y tenemos una mezcla líquido-vapor a temperatura de cambio de
fase. Alrededor de las 10 hs de la mañana la potencia es suficiente para transformar todo
el liquido en vapor y se observa un pico de temperatura debido al efecto de la inercia
térmica con la fuerte disminución de cp del vapor respecto a la entalpía de cambio de
fase. Una vez que la fracción de vapor es 1 el caudal de circulación de fluido es
aumentado a 0.07 l/s y la temperatura de salida se estabiliza a 230 C.
En la figura 6b se observa la eficiencia del sistema cuando entra en régimen de
funcionamiento (a partir de las 10 horas) se estabiliza en 0,7. Los picos en los cuales la
eficiencia supera la unidad se debe al efecto de la inercia térmica que está relacionado
con los picos de temperatura explicados anteriormente.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 162
21 de Junio
Para este caso el cambio de fase ocurre recién entre las 9 y las 11.5 hs del inicio.
Cuando el equipo alcanza la temperatura de funcionamiento el caudal toma un valor de
0.04 kg/s. La diferencia más notoria entre las figuras 6.6a y 6.7a es el desplazamiento
horario en el que ocurre la evaporación total del fluido caloportador.
Para este caso el cálculo se realizó hasta las horas 17 debido a que el día solar es
menos extenso con respecto a los demás días y la eficiencia en régimen de
funcionamiento tiene un comportamiento similar a la simulada para diciembre, figura 6.7b.
(a) (b)
Figura 6.7: a) Gráfico de temperaturas de agua en el absorbedor (C) vs hora solar y b)
muestra la variación de la eficiencia con la hora solar. Ambos gráficos para el 21 de Junio.
6.5. Instalación en San Carlos
Por problemas de tiempo en el desembolso de las cuotas del proyecto PFIP 2009,
y hasta la fecha de redacción de esta tesis solo se ha desembolsado la primera cuota del
proyecto. Es por eso que se decidió la construcción de dos módulos con 8 filas de
espejos, lo que completa un área de 86m2. A continuación se detallan algunos aspectos
técnicos de la instalación.
Los bastidores para los espejos, absorbedor, y soportes fueron construidos por la
empresa INTI-AR en la ciudad de Salta y trasportados al lugar de instalación. La
construcción del sistema, acorde a la primera etapa, se llevo a cabo en cinco sub-etapas.
La misma empresa brindó apoyo técnico durante la instalación.
Bases: las bases para las columnas del absorbedor se construyeron con zapatas
de hormigón: de 0,5 x 0,5 x 0,5 m que, para su correcta alineación, se emplazaron con
una plantilla que encuadra 8 bases a la vez (figura 6.8), lo que asegura que los soportes

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 163
queden correctamente emplazados. (Gea et al., 2012). Para su alineación inicial se buscó
el norte solar midiendo la sombra al medio día solar en un día de otoño.
(a) (b)
Figura 6.8: Emplazamiento de las bases para el absorbedor
Las bases de los soportes de los bastidores de espejos se hicieron más pequeñas
(0,3x 0,3 x 0,3 m)
En total se instalaron 20 bases para el absorbedor y 24 para los espejos.
Montaje del absorbedor: los arcos de 8.5 m de alto se montaron sobre las bases
ya hormigonadas y fueron estabilizados con vientos hacia los costados y una barra que
los une entre sí por encima en la parte superior, asegurando así el paralelismo entre los
mismos. Una vez estabilizados los arcos se colocaron las poleas, una por arco, sobre las
cuales se monto el absorbedor sin los caños y se lo elevo a 1,5 m del suelo. Los caños se
montaron sobre caballetes para ser soldados en el lugar. Cuando los caños se
encontraban soldados y pintados con pintura de alta temperatura se procedió a bajar el
absorbedor sobre los mismos para ser abulonados y, finalmente, se eleva el absorbedor
completo hasta su posición final a 7,8 m del piso.

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 164
(a) (b)
(C) (d)
Figura 6.9: Etapa del montaje del absorbedor. (a) montaje de los arcos (b) colocación de
las poleas (C) montaje del absorbedor (d) montaje final de los caños del absorbedor.
Montaje de los espejos: Los bastidores de los espejos se montaron sobre
rulemanes a 0.8 m sobre el suelo, donde los espejos son adheridos en su parte media
mediante silicona a la estructura y asegurados con ángulos metálicos en los extremos.
Luego de fijarlos son levemente curvados de manera mecánica. Finalmente se logra una
correcta alineación controlando la imagen que proyecta cada uno sobre el absorbedor.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 165
(a) (b)
Figura 6.10: Montaje de los bastidores y espejos (a) pegado de espejos (b)alineación de
las imágenes.
Sistema de agua: Para el sistema de circulación se usaron caños Schedulle 40 de
una pulgada, los mismos que se usan en el absorbedor. El sistema de agua emplea una
bomba de pistones con un variador de velocidad programable. El caudalímetro se montó
antes de la bomba y se instalaron sensores de temperatura (termocuplas tipo K) a la entra
y salida del absorbedor. Los caños de recirculación se aislaron con 5 cm de lana de vidrio.
Figura 6.11: Montaje del sistema de alimentación del absorbedor.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 166
En esta etapa se trabajó a circuito abierto, se espera en una próxima etapa cerrar
el sistema con una máquina de vapor y un condensador.
Sistema de movimiento: Para el sistema de movimiento de los espejos se utilizan
motores paso a paso con una reducción de 1/100 (Hoyos et al, 2010), donde cada fila de
espejos tiene acoplado un motor y un sistema de control comandados por un
microcontrolador. El mismo proporciona al motor una frecuencia de giro variable cada
intervalo de un minuto. Esto se logra con la implementación de tablas que contienen: la
frecuencia de giro variable para las 10 hs de funcionamiento del sistema, y las posiciones
a las que debe llegar el espejo al amanecer del día para comenzar el seguimiento y al
finalizar el mismo para alcanzar la posición de reposo (“mirando al suelo”). Cada espejo
tiene asignada una tabla de datos por día, de manera tal que el movimiento es automático
durante el paso de los mismos. La figura 6.12 corresponde a una imagen fotográfica
tomada en dirección suroeste hacia noreste, donde pueden observarse las filas de
espejos con su correspondiente motor y un sistema de control independiente entre ellos
contenido en gabinetes IP-64 (para evitar entrada de polvo e infiltraciones de agua).
Figura 6.12: Vista de los espejos con su correspondiente motor y sistema de control
6.6. Sistema de circulación de agua
Para esta primera etapa, el concentrador solar funciona bajo un sistema abierto sin
recirculación de agua. Se repitió el sistema de evaluación que fue usado en el capítulo 4
para evaluar el equipo instalado en el campo experimental del INENCO. Ver figura 4.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 167
6.7.1. Primer ensayo
El primer ensayo del sistema completo se realizó el día 13 de agosto de 2013. La
válvula de salida se mantuvo abierta de manera de trabajar a presión atmosférica para
asegurar que el sistema no alcance valores elevados de presión durante el tiempo de
trabajo. Los espejos fueron calibrados y ensayados el día anterior. Entre 8:00 y 8:15 hs
las 8 filas de espejos realizaron un posicionamiento automático hasta la posición de
trabajo (inclinación que debe tener cada reflector a las 8:30 hs), a partir de ese momento
los motores hacen girar los espejos a una frecuencia variable cada minuto hasta la hora
de puesta del sol, donde cambian su régimen de movimiento (aumenta su frecuencia de
giro) hasta llegar a la posición de reposo, esto puede durar un lapso de 15 minutos
aproximadamente.
El caudal de circulación de agua fue fijado en 0.02 kg/s y, para este primer ensayo,
se trabajó a circuito abierto. Se monitorearon las temperaturas de interés (temperatura a
la salida del absorbedor, a la entrada y ambiente). La radiación global medida
correspondiente a un día claro de agosto para San Carlos, con un pico de 750 W/m2 al
mediodía.
La temperatura de salida, registrada continuamente, indicó que el sistema no
alcanzó el régimen de trabajo, esto debido a problemas con el variador de caudal de la
bomba que luego fueron solucionados, aún así esta temperatura fue de 120 C
aproximadamente, por lo que a la salida se obtuvo vapor sobrecalentado a presión
atmosférica.
Es necesario tomar como medida de seguridad que mientras el absorbedor se
encuentra iluminado el fluido debe encontrarse en movimiento dentro de los caños para
evitar presiones muy elevadas, y de manera rigurosa evitar la concentración de radiación
sobre el absorbedor cuando el sistema se encuentra sin fluido. Cuando el equipo está
fuera de funcionamiento es recomendable vaciar el sistema de cañerías para evitar algún
problema de congelamiento, sobre todo en invierno.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 168
(a) (b)
Figura 6.13: a) Temperaturas registradas durante el ensayo desde horas 14 hasta 15:30
aproximadamente. b) Se observa el equipo en condiciones de funcionamiento, donde a la
salida se obtiene vapor sobrecalentado.
De la figura 6.13a puede observarse la evolución temporal de las temperaturas del
agua a la salida (verde), entrada (roja) y ambiente (azul), donde el instante cero
representa la hora 14. El ascenso pronunciado de Tout en t = 500s se debe a la
circulación de agua con un caudal aproximado de 0.02 kg/s, luego por problemas técnicos
el fluido dejo de circular por el sistema y la temperatura medida a la salida disminuye, la
pendiente positiva siguiente se debe al reencendido de la bomba aunque con un caudal
algo mayor que en el caso anterior (por eso una pendiente positiva pero menor que la
anterior), cerca de t = 1500s se retoma el caudal de 0.02 kg/s y desde este instante hay
un periodo de intermitencia en el funcionamiento de la bomba. Finalmente a t ~ 4500s se
libera por completo la válvula de salida permitiendo el escape del vapor contenido en el
sistema, de aquí el aumento súbito de temperatura que registra la termocupla. Los
inconvenientes de funcionamiento de la bomba fueron solucionados sobre las horas de la
tarde, el problema surgía por la incorrecta configuración del variador digital de velocidades
propio de la bomba, que se confundía de cierta forma con la regulación de caudal que se
realiza mediante una PC a partir del software LabView.
Dentro del ensayo también se han registrado imágenes del tipo termográficas
mediante una cámara termográfica Fluke Ti55. La cámara puede configurarse para medir
en tres rangos de temperatura: entre -20 y 100 C, -20 a 350 C y 250 a 600 C, con una
precisión de 2%. Las imágenes termográficas son analizadas mediante el software
SmartView provisto por el fabricante. Debido a que la termografía infrarroja es un método
no destructivo que permite determinar la distribución superficial de la temperatura del área
a analizar resulta de gran interés la implementación de la misma para registrar perfiles de
temperatura sobre los caños del absorbedor. Un análisis cualitativo de estas imágenes
puede mostrar puntos calientes, comportamiento del flujo y distribución del mismo al ser
ramificado en los cinco caños, permite determinar la región de cambio de fase, etc. Un
estudio cuantitativo puede brindar información de la cantidad de calor que absorbe el

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 169
agua en su recorrido conociendo la temperatura superficial de los caños, determinar los
perfiles de temperatura a lo largo y lo ancho del absorbedor. En la figura 6.14 se muestran
las primeras imágenes tomadas con la cámara termográfica. La ausencia temporal del
vidrio, en la parte inferior del absorbedor, permite el registro de los termogramas sobre los
caños. En caso de estar presente el vidrio el análisis del comportamiento térmico del
absorbedor mediante termografía no sería posible ya que el mismo es opaco a la
radiación infrarroja.
Para entender la figura 6.14 se debe considerar que el absorbedor está dividido en
9 segmentos de 2 metros de largo. El 1er segmento corresponde al tramo donde el fluido
se distribuye en los tubos paralelos que componen el absorbedor, es decir el fluido circula
del segmento 1ro al 9no. Las temperaturas marcadas en cada figura corresponden a los
puntos de mayor temperatura de la imagen.
Los termogramas de la figura 6.14 permiten develar la llegada de mayor radiación
sobre uno de los caños del absorbedor en la 2da sección del mismo. No parece
corresponder a un flujo estancado o un flujo menor que en el resto de los caños, ya que
en el último tramo (figura 6.14c) el perfil de temperaturas en la dirección transversal de los
caños es aproximadamente constante.
Figura 6.14: En a) se observa la imagen termográfica de la 2da sección del absorbedor, b)
corresponde a la 7ma sección y c) a la 9na, donde el agua finaliza su recorrido por el
absorbedor.
6.7.2. Segundo ensayo
El segundo ensayo se llevó a cabo el día 6 de septiembre del 2013, para este
ensayo los espejos fueron calibrados el día anterior pasando la noche en su posición de
reposo (con la protección de chapa hacia arriba). A las 8:00 de la mañana comienzan a
ubicarse, demorando 30 minutos en posicionarse. El registro de las temperaturas se inició
a las 09:00 hs pero el equipo empezó a funcionar con la presión de 12 kPa y 0,03 kg/s
recién a las 12:00 hs ya que hasta esa hora se estuvieron haciendo calibraciones en el
sistema de medida de caudal y ajustes finos a los espejos, manteniendo la presión libre
g258g3 g271g3 g272g3

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 170
con la válvula abierta. Una vez que se cerró la válvula de salida la presión aumentó hasta
alcanzar los 12 kPa y la temperatura se acomodó alrededor de los 190 C.
g1004
g1006g1009
g1009g1004
g1011g1009
g1005g1004 g1004
g1005g1006 g1009
g1005g1009 g1004
g1005g1011 g1009
g1006g1004 g1004
g1006g1006 g1009
g1004 g853g1009 g1004 g1006 g856g1004g1004 g1004 g853g1009g1004 g1008 g856g1004 g1004g1004 g853g1009g1004 g1010 g856g1004 g1004g1004 g853g1009 g1004 g1012 g856g1004g1004 g1004 g853g1009 g1004 g1005g1004 g856g1004 g1004g1004 g853g1009g1004 g1005 g1006 g856g1004 g1004g1004 g853g1009 g1004
g100g349g374
g100g381g437g410
g100g258g373g271
Figura 6.15: Temperaturas registradas durante el segundo ensayo.
En el figura 6.15 se observan leves picos durante el tiempo de ensayo cuando la
presión de trabajo alcanza los 12 kPa, estos se deben a que el motor de uno de los
espejos de los extremos no se encontraba funcionando correctamente por lo que se
desenfocaba continuamente. Al final se ve que la temperatura cae abruptamente y sube
antes de seguir descendiendo, esto se debió a ensayos de extracción de vapor que se
realizaron antes de apagar el equipo.
Al igual que en el ensayo anterior se corroboró la correcta distribución de las
temperatura en los caños con una cámara termográfica descartando así la presencia de
puntos calientes, figura 6.15.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 171
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6.16: evaluación de la distribución de temperatura sobre los caños del absorbedor
mediante el uso de cámara termogáfica.
6.8. Conclusiones del capítulo
En este capítulo se usó el programa SIMUSOL para simular un sistema complejo
como es un Concentrador Lineal tipo Fresnel. Se puede observar que SIMUSOL es una
herramienta útil para representar de manera sencilla el comportamiento del equipo para
ciertas condiciones de funcionamiento. Ya fueron simulados prototipos del Concentrador
Fresnel Lineal, de menor escala, mediante este software y los datos medidos y simulados
han ajustado correctamente. Es por ello que una de las grandes ventajas de la simulación,
es la posibilidad de extrapolar el funcionamiento a otras condiciones de trabajo, otra
escala de tamaño, y para condiciones geográficas diferentes.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 172
La simulación térmica del sistema completo otorga una representación del
funcionamiento esperado, actualmente el equipo se encuentra en condiciones de ser
ensayado bajo condiciones normales de trabajo. Muy recientemente, se ha terminado la
instalación de la 1ra etapa y se ha comprobado un correcto funcionamiento de las partes
del sistema. En breve se realizarán los monitoreos correspondientes a fin de realizar una
evaluación cuantitativa del funcionamiento del Concentrador Fresnel Lineal para la etapa
de generación de vapor.
Dentro de los resultados más destacados que se obtienen con el soft, se puede
mencionar que si bien los valores de irradiancia invernales son menores que las de
verano, la temperatura del fluido requerida para el funcionamiento se alcanza para
cualquier día del año. Aunque si se observa una disminución en las horas de
funcionamiento del equipo.
Para los días 21 de Marzo y 21 de Septiembre los resultados de la simulación son
análogos a los presentados en el apartado precedente, donde también se observa un
desplazamiento temporal en la hora donde se alcanza la temperatura necesaria de
funcionamiento.
En cuanto a los ensayos in situ, se comprobó que el sistema puede alcanzar las
condiciones de trabajo para las cuales fue diseñado (temperatura, presión y caudal). Se
comprobó que bajo estas condiciones no aparecieron puntos calientes, pero queda
pendiente un estudio más detallado del tema así como ensayos de eficiencia.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 173
CONCLUSIONES FINALES
El CFL es una novedosa herramienta para la producción de energía mediante el
aprovechamiento de la energía solar y se muestra como una herramienta sólida a la hora
de generar energía de potencia a gran escala. A nivel mundial vienen creciendo los
proyectos que optan por esta tecnología y Argentina cuenta con un grupo de trabajo
sólido y con experiencia para afrontar este desafío siendo capaces de construir un equipo
con elementos de producción nacional en un 90%.
En esta tesis se estudió en detalle los diferentes procesos de intercambios
térmicos que ocurren en el absorbedor y energéticos en general en CFL, con ello se
elaboró una simulación completa en estado no estacionario que permitió tomar decisiones
constructivas y aumentar la escala de trabajo.
Del análisis de las diferentes configuraciones geométricas estudiadas del
absorbedor para un CFL se optó por la cavidad trapezoidal invertida con cinco caños
debido a dos razonas fundamentales: La primera es que al no poseer espejos
secundarios tiene un mayor porcentaje de capitación directa de la radiación incidente
desde los reflectores, evitando así pérdidas por reflexiones secundarias, y aumentando la
eficiencia del equipo. La segunda ventaja es que los caños se encuentran iluminados solo
por su parte inferior, esto es una gran ventaja a la hora de trabajar con generación directa
de vapor, ya que se reduce los riesgos de que se produzcan puntos calientes por
sobrecalentamientos de los caños.
Mediante del estudio de las pérdidas térmicas en el absorbedor de 1,4m construido
en el laboratorios se pudo determinar el coeficiente global de transferencia de calor desde
la cubierta al ambiente exterior. Se pudo observar también que aproximadamente el 87 %
de la pérdida de calor a través de la envolvente del absorbedor se produce por la cubierta
transparente. Este porcentaje puede aumentar durante la operación del modelo a escala
real en función de las velocidades de viento que se registren en la zona donde sea
instalado.
Por otra parte se describe el modelo térmico del absorbedor lineal desarrollado en
el INENCO, para lo cual se utiliza el programa SIMUSOL. Se utilizaron medidas
experimentales para ajustar los coeficientes de transferencia de calor en estado
estacionario. Los resultados de la simulación para distintas potencias de entrada
muestran que SIMUSOL reproduce adecuadamente la relación lineal existente entre las
temperaturas y la potencia entregada, con errores relativos porcentuales de alrededor del
10%, excepto para las temperaturas superficiales exteriores (laterales y techo), con
errores que llegan al 35%.
Debido a que las pedidas térmicas en el absorbedor se producen en su mayoría a
través de la parte interior se estudió en detalle el movimiento del aire y los fenómenos de
intercambios de calor que se producen en la cavidad trapezoidal. Este estudio permitió
definir parámetros característicos, como ser la profundidad de la cámara trapezoidal o el

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 174
espesor de la aislación lateral y superior, y así mejorar rendimientos y disminuir costos
innecesarios. Dichos parámetros fueron optimizados para el CFL que se encuentra en
construcción en la localidad de San Carlos.
De los ensayos realizados al CFL de 43m2 instalado en el campo experimental del
INENCO se pudo observar que el equipo funcionó de acuerdo a lo esperado produciendo
vapor con eficiencias térmicas altas, acordes con valores publicados en la bibliografía
consultada (Mills y Morrison, 2000).
Las experiencias realizadas no solo permitieron calcular valores de eficiencia,
además sirvieron para ensayar y poner a punto otros factores importantes que influyen
sustancialmente en la producción de vapor. Por ejemplo la orientación y sistema de
movimiento de los espejos, bombas de agua, sistema de limpieza y válvulas de seguridad
entre otras partes ensayadas. Este estudio permitió corregir detalles tanto en el diseño
como en la construcción y funcionamiento y sirvió de base de conocimientos para la
construcción a una escala mayor.
Se usó el programa SIMUSOL para simular un sistema complejo como es un CFL.
Se puede observar que SIMUSOL es una herramienta útil para representar de manera
sencilla el comportamiento del equipo en estado no estacionarios con determinadas
condiciones de funcionamiento. Ya fueron simulados prototipos del Concentrador Fresnel
Lineal, de menor escala, mediante este software y los datos medidos y simulados han
ajustado correctamente. Es por ello que una de las grandes ventajas de la simulación es
la posibilidad de extrapolar el funcionamiento a otras condiciones de trabajo, otra escala
de tamaño, y para condiciones geográficas diferentes.
La simulación térmica del sistema completo otorga una representación del
funcionamiento esperado, actualmente el equipo se encuentra en condiciones de ser
ensayado bajo condiciones normales de trabajo
Queda pendiente seguir mejorando el modelo propuesto, con la finalidad de
obtener una simulación cada vez más cercana a la realidad. Las mejoras para el futuro
serán, por ejemplo, fragmentar el absorbedor en más segmentos para tener una mejor
visión de la etapa de cambio de fase, y utilizar coeficientes convectivos h entrados por
tablas previamente habiéndolos calculado para distintos valores de temperatura y según
la fase del fluido.
En cuanto a los ensayos in situ, queda pendiente realizar un monitoreo completo
del sistema mediante el registro de temperaturas y presiones a más de dos puntos del
absorbedor, para contar con la evolución real de estos parámetros. Como primer ensayo
de la etapa de generación de vapor del concentrador Fresnel Lineal de 86 m2 completo se
resalta el correcto desempeño de las distintas partes del sistema. Lo que habilita, para los
viajes posteriores al predio donde se encuentra el equipo, realizar las medidas necesarias
y de manera continua durante varios días para obtener un registro de la evolución de los
parámetros del fluido y de la eficiencia global del sistema. Resulta de interés realizar
análisis cualitativos y cuantitativos mediante el uso de la termografía que permite obtener

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 175
registros de temperaturas en distintas fracciones del absorbedor de manera no
destructiva.
Las distintas partes del sistema se siguen estudiando y desarrollando a fin de
optimizar el funcionamiento del equipo en líneas generales.
Por otro lado, el CONICET ha entregado nuevos fondos que permitirán agregar
otros dos módulos de espejos y absorbedores, así como un acumulador de hormigón y un
motor de vapor para generación eléctrica. Así se completará la experiencia necesaria para
la construcción de equipos que puedan transferirse a los posibles usuarios y empresas.

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eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 176

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 177
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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 182
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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 183
ANEXO A
Lista de publicaciones asociadas al trabajo de esta tesis

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Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 184
PUBLICACIONES
1. HEAT LOSS OF A TRAPEZOIDAL CAVITY ABSORBER FOR A LINEAR
FRESNEL REFLECTING SOLAR CONCENTRATOR. S. Flores, M. Altamirano, A.
Hernández Renewable Energy 2011 (Aceptado7/05/2011 RENE-D-11-00216)
2. PUESTA A PUNTO Y SIMULACION DEL CONCENTRADOR FRESNEL LINEAL
DE 86 M2 INSTALADO EN SAN CARLOS, SALTA. M. Altamirano, M. Hongn, C.
Fernández, H. Bárcena, D. Hoyos, L. Saravia, S. Flores Larsen, M. Gea, C.
Placco, H. Suligoy. AVERMA 2013. 17., 03.30-03.47.
3. ESTUDIO DE LAS PERDIDAS TERMICAS EN UN ABSORBEDOR LINEAL PARA
UN CONCENTRADOR LINEAL TIPO FRESNEL. M. Altamirano, M. Vynnycky, L.
Saravia. AVERMA 2012. 16., 08.33-08.40.
4. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA GLOBAL DE UN REFLECTOR LINEAL TIPO
FRESNEL EN RELACION CON DISTINTOS ASPECTOS CONSTRUCTIVOS. M.
Altamirano, L. Saravia, M. Gea, D. Alía AVERMA 2011. 15., 08.115- 08.122.
5. SIMULACIÓN TÉRMICA DE UN CONCENTRADOR LINEAL TIPO FRESNEL,
DOS OPCIONES DE FUNCIONAMIENTO. M. Altamirano, M. Gea, C. Placco, L.
Saravia, D. Alía AVERMA 2010. Ambiente 2010. 14, 03.139-03.146.
6. SIMULACIÓN TÉRMICA DE UN ABSORBEDOR LINEAL MEDIANTE SIMUSOL.
M. Altamirano, S. Flores Larsen, A. Hernández. L. Saravia. AVERMA 2009. 13,
03.25-03.30.
7. EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE LAS PERDIDAS TÉRMICAS EN EL
ABSORBEDOR DE UN CONCENTRADOS LINEAL TIPO FRESNEL. M.
Altamirano, A. Hernández, S. Flores Larsen, L. Saravia. AVERMA 2009. ; 13,
03.17-03.24.
8. DISEÑO Y ANÁLISIS ECONÓMICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR FRESNEL
LINEAL PARA APLICACIONES TÉRMICAS. M. Gea, L. Saravia, M. Altamirano,
C. Placo, F. Tilca, M. Hongn. IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V
Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
9. DISEÑO Y ESTADO DE AVANCE DE LA CONSTRUCCIÓN. M. Gea, L. Saravia,
C. Placco, M. Altamirano, M. Hongn AVERMA 2012. 16., 03.79-03.86.
10. ESTUDIO DE REFLECTANCIA DE ESPEJOS PARA UN CONCENTRADOR
SOLAR FRESNEL LINEAL. M. Hongn, S. Flores Larsen, M. Altamirano, M. Gea, L.
Saravia AVERMA 2011. 15, 08.191- 08.197.

g68g258g396g410g351g374g3g4g367g410g258g373g349g396g258g374g381g3 g3 g1006g1004g1005g1008g3
Estudio de absorbedores para la generación de energía
eléctrica mediante un reflector lineal tipo Fresnel 185
11. MODELO TERMODINÁMICO DE UN ACUMULADOR TÉRMICO DE AGUA
PRESURIZADA PARA AMORTIGUACIÓN DE TRANSITORIOS EN UN
CONCENTRADOR SOLAR FRESNEL LINEAL. M. Gea, L. Saravia, M. Altamirano,
C. Placco, H. Bárcena y C. Fernández AVERMA 2011. 15, 08.107-08.114
12. ASPECTOS ÓPTICO GEOMÉTRICOS DE UN CONCENTRADOR SOLAR
FRESNEL LINEAL PARA APLICACIONES TÉRMICAS. M. Gea, L. Saravia, M.
Altamirano, C. Placco, H. Bárcena, M. Hongn AVERMA 2010. 14. 03.215-03.222.
13. DESINFECCIÓN DE SUSTRATO CON VAPOR UTILIZANDO UN
CONCENTRADOR FRESNEL LINEAL. C. Placco, L. Saravia, M. Gea, M.
Altamirano, C. Fernández, C. Herrando AVERMA 2010. 14, 03.207-03.213.
14. ENSAYOS DE UN CONCENTRADOR FRESNEL. CÁLCULO DE EFICIENCIA. N.
Salvo, M. Altamirano, H. Barcena, L. Saravia. AVERMA 2009. 13, 03.99-03.104.