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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA
UNIDAD QUERÉTARO
DOCTORADO EN TECNOLOGÍA AVANZADA
Horno solar de alta temperatura para el cocimiento de tabiques de arcilla
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS EN TECNOLOGÍA AVANZADA
PRESENTA: M. en C. GABRIEL VILLEDA MUÑOZ
DIRECTOR DE TESIS: DR. JORGE PINEDA PIÑÓN
QUERÉTARO, QRO.; JUNIO DE 2010
CICATA-IPN QUERETARO
Esta tesis está dedicada a la memoria del doctor José Trinidad Vega Durán quien fue
una persona muy importante en mi formación como doctor.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
i
ÍNDICE
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
ii
ÍNDICE
Índice……...……............................................................................................... i
Símbolos y glosario……................................................................................... vii
Relación de figuras, tablas y gráficas…………………………………………….. xv
Resumen…………..……................................................................................... xxvi
Abstract………………………………..…………………………………………….. xxix
Introducción.................................................................................................... xxxii
I.1. Antecedentes......................................................................................... xxxiv
I.2. Proceso tradicional de elaboración del tabique………………...……….. xxxv
I.3. Hornos solares………………………………………………………………. xlii
I.4. Justificación............................................................................................ xlv
I.5. Nuevo proceso de cocimiento de tabiques empleando el horno solar xlvii
I.6. Estructura del informe………………………………………..…………….. xlix
I.7. Objetivos................................................................................................ l
Objetivo general...................................................................................... l
Objetivos particulares............................................................................. l
I.8. Hipótesis……………………………………………………………………... li
Capítulo 1. Marco teórico……….................................................................... 1
1.1. Radiación solar……………………………………………………...……… 2
1.1.1. La constante solar…………………………………………...…….. 3
1.1.2. Variación de la radiación extraterrestre…………………...…….. 5
1.1.3. Masa de aire……..………………………………………..……….. 6
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
iii
1.1.4. Ángulos solares…………………………………………………….. 7
1.1.5. Pirheliómetro…….………………………………………………..... 10
1.2. Propiedades de radiación de los materiales…….................................. 11
1.2.1. Superficies absorbedoras…………………………………..…….. 12
1.2.2. Superficies reflejantes……………….…………………………….. 13
1.3. Colectores concentradores de energía solar........................................ 15
1.3.1. Concentradores…………………………………………………….. 16
1.3.2. Receptores………………………………………………………….. 20
1.3.3. Seguidores solares……………………………………………..….. 21
1.3.4. Tipos de colectores concentradores……………………….…….. 25
1.4. Transferencia de calor……................................................................... 25
1.4.1. Conducción……………………………………………………...….. 26
1.4.2. Convección……………………………………………………...….. 27
1.4.3. Radiación………...……………………………………………...….. 28
1.5. Comentarios finales del capítulo……………………………………...….. 29
Capítulo 2. Horno solar de alta temperatura para el cocimiento de
tabiques de arcilla…......................................................................................
31
2.1. Descripción del sistema………............................................................. 32
2.1.1. Helióstato………...………………………………………………..... 35
2.1.2. Concentrador parabólico fuera de eje………...……………..….. 36
2.1.3. Cámara de cocción……………………..………………………..... 38
2.2. Cálculo de dimensiones del helióstato………………………..……...…. 40
2.3. Temperatura interna de la cámara de cocción…………………............ 44
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
iv
2.4. Materiales………………………............................................................. 48
2.4.1. Helióstato………...…………………………………………...…….. 48
2.4.2. Concentrador parabólico fuera de eje………...…………..…….. 50
2.4.3. Cámara de cocción……………………..…………………...…….. 50
2.5. Comentarios finales del capítulo…………………………………...…….. 51
Capítulo 3. Diseño……………………………………………………………….... 53
3.1. Helióstato………................................................................................... 54
3.1.1. Cimentación…………..…………………..……………….……….. 54
3.1.2. Pedestal…………..………………………..……………………….. 56
3.1.3. Estructura…………..…….………………..……………………….. 58
3.1.4. Espejos……………..…….………………..……………………….. 59
3.1.4.1. Ecuaciones de Fresnel…………..………………….…….. 63
3.1.5. Ensamble……………..…….………………..…………………….. 64
3.1.6. Seguidor solar…………..…….……………………………...…….. 65
3.1.6.1. Seguidor rotación-elevación…………..………………….. 67
3.1.6.2. Programación del sistema para el seguidor solar….…... 69
3.1.6.3. Seguimiento primario……………………….……………... 74
3.1.6.4. Seguimiento secundario…………………………………... 83
3.1.6.5. Cálculo de motores para el seguimiento solar…......…... 88
3.1.6.6. Cálculo del sistema de alimentación………………..…... 90
3.1.7. Contrapeso…………………………………………………………. 93
3.1.8. Tamaño de la mancha solar………………………………………. 94
3.1.8.1. Tamaño de la mancha generada por las filas del
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
v
helióstato…………………………………………………………...… 95
3.1.8.2. Tamaño de la mancha generada por las columnas del
helióstato…………………………………………………………..…. 98
3.1.9. Alineación del sistema óptico…………..………………...………. 101
3.1.10. Simulación óptica…………..……………………………………. 102
3.2. Concentrador parabólico fuera de eje……………................................. 107
3.2.1. Principio de funcionamiento…………..………….……………….. 107
3.2.2. Cimentación………………..…………..………….……………….. 108
3.2.3. Estructura y espejos…………..………….……………...…….….. 110
3.2.4. Ensamble…………..…………..………….……………...…….….. 110
3.3. Cámara de cocción………..…...……................................……………... 112
3.3.1. Moldes….…………..…………..………….……………...…….….. 113
3.3.2. Plataforma elevadora….…………..……..……………...…….….. 115
3.4. Comentarios finales del capítulo……................................…..………... 116
Capítulo 4.Caracterización…………….……………………...…...................... 117
4.1. Equipo empleado………....................................................................... 118
4.2. Pruebas a los tabiques…………........................................................... 119
4.2.1. Energía para cocer un tabique………........................................ 119
4.2.2. Color……………………………………........................................ 122
4.2.3. Diferencia de peso…………….………........................................ 124
4.2.4. Resistencia a la compresión…………........................................ 125
4.2.5. Absorción de agua………….…………........................................ 127
4.3. Helióstato…………………………………............................................... 130
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
vi
4.3.1. Espejos…………..…………………..…….………………...….….. 130
4.3.1.1. Selección de superficies reflejantes…………….….….. 130
4.3.1.2. Ecuaciones de Fresnel…………..…….………….…….. 132
4.3.1.3. Pruebas con los espejos…………..…….………….….. 137
4.3.2. Medición del torque……………………………………….………. 138
4.3.3. Seguidor solar…………………………………………...…………. 139
4.3.4. Cálculo del seguimiento primario………………………...………. 140
4.3.5. Cálculo del seguimiento secundario………………………..……. 142
4.3.6. Cálculo del tamaño de la mancha solar…………………………. 144
4.4. Cámara de cocción………………..……………...................................... 146
4.4.1. Caracterización del material para la cavidad de cuerpo negro
(Hastelloy X)…………..…………………..…….……………………..….. 146
4.5. Comentarios finales del capítulo……………......................................... 152
Capítulo 5. Discusión de resultados y conclusiones………...…................ 153
5.1. Discusión de resultados………........................................................... 154
5.2. Conclusiones.…………..…………........................................................ 156
5.3. Trabajos futuros…..……………………………………............................ 157
Bibliografía…………..…………………………………………………………….. 158
Anexos…..….……………...……………………………………………………..… 167
Composición química Hastelloy X………..................................................... 168
Gráficas DSC……………………………........................................................ 169
Agradecimientos…....…………………………………………………………….. 172
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
vii
SÍMBOLOS Y GLOSARIO
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
viii
SÍMBOLOS
Aa Área del absorbedor
Acc Área de la cámara de cocción
Aorif Área del orificio de la cavidad de cuerpo negro
b Exponente
C Centro de la Tierra
CE Eje este
CM Eje meridiano
CP Eje polar
C Razón de concentración
Cp Calor específico
ψddΦ Flujo radiante total reflejado por una tira del concentrador parabólico
Fbb,cc Factor de forma de la cavidad de cuerpo negro a la cámara de cocción
Gb Irradiancia solar directa
Gh Irradiancia generada por el helióstato
Gsc Constante solar
Hr Coseno director del eje zenit
Ht Coseno director del eje en dirección al objetivo (“target”)
Hu Coseno director del eje paralelo a las filas de espejo
Hx Distancia entre el centro de la fila maestra y el centro de la fila donde se
encuentra el espejo esclavo a calcular
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
ix
Hy Distancia entre el centro de la columna maestra y el centro de la columna donde
se encuentra el espejo esclavo a calcular
hbb Coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior de la cavidad
de cuerpo negro
ho Coeficiente de transferencia de calor por convección
I0 Radiación normal extraterrestre
Ib Irradianción solar directa
Ib,c Radiación sobre un plano inclinado
Ib,n Radiación normal directa
L Distancia que existe entre el centro del espejo maestro y el objetivo
mt Masa de los tabiques
N Normal
O Origen del helióstato
OR Eje paralelo a las columnas de espejo del helióstato (en dirección del zenit)
OS Vector que parte del origen del helióstato hacia el Sol
OT Eje en dirección del objetivo (“target”)
OU Eje paralelo a las filas de espejo del helióstato
P Pivote a través del cual se mueve el espejo esclavo
Q Lugar donde se encuentra el observador (horno solar)
Qinter Tasa a la cual la energía es interceptada por la cavidad de cuerpo negro
Qneto Tasa de energía neta para cocer n tabiques
Qpérdidas Tasa de energía térmica perdida por la cámara de cocción
Qpérdidas,cond Tasa de energía térmica perdida por conducción en la cámara de cocción
•
•
•
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
x
Qpérdidas,r Tasa de energía térmica perdida por radiación en el orificio de la cavidad
de cuerpo negro
S Sol
Se Coseno director del eje este
Sm Coseno director del eje meridiano
Sp Coseno director del eje polar
T Objetivo (“target”) donde la luz solar es reflejada
Tamb Temperatura del medio ambiente
Tcielo Temperatura del cielo
Tbb Temperatura de la cavidad de cuerpo negro
Tf Temperatura final
Ti Temperatura inicial
t Tiempo
α Absortancia
β Ángulo formado entre el vector OS y su proyección sobre el plano formado con
los ejes OR y OU
γ Azimut solar
γ Movimiento angular de las columnas
γ’ Movimiento angular corregido de las columnas
intΔQ Tasa de energía reflejada por una barra de concentrador parabólico e
interceptada por la cavidad de cuerpo negro
δ Ángulo de declinación de la Tierra
•
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xi
δθ Ángulo de corrección para el ángulo de elevación
εbb Emisividad de la cavidad de cuerpo negro
εcc Emisividad de la cámara de cocción
εorif Emisividad del orificio de la cavidad de cuerpo negro
θ Ángulo de elevación
θ' Ángulo de elevación corregido
θi Ángulo de incidencia
θz Ángulo azimut
λ Ángulo del objetivo (“target”)
ρ Ángulo de rotación
ρ Reflectancia
ρh Reflectancia del helióstato
σ Constante de Stefan-Boltzmann
σ Movimiento angular de las filas
σ’ Movimiento angular corregido de las filas
τ Transmitancia
φ Latitud
ϕ Ángulo de cara
ω Ángulo horario
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xii
GLOSARIO
Aberración: Imperfección de un sistema óptico que produce una imagen defectuosa.
Absortividad: Propiedad que tiene un material para absorber una fracción de la
energía incidente sobre él.
Afelio: Punto de la órbita de un planeta más distante al Sol.
Apertura del concentrador: Es la entrada a través de la cual la radiación solar entra al
concentrador.
Apisonar: Apretar o allanar tierra, grava, etc., por medio de un pisón.
Askarel: Aceite oscuro, utilizado como aislante o refrigerante en transformadores y
equipos eléctricos debido a su resistencia a temperaturas extremas tanto altas como
bajas sin cambiar su estado físico. Es altamente peligroso y carcinógeno. Contiene
hasta un 70% de PCB (Bifenilo Policlorado).
Azimut: Ángulo entre el sur geográfico y la proyección de la radiación directa sobre un
plano horizontal. Hacia el este es negativo y hacia el oeste es positivo.
Cámara de cocción: Cavidad aislada donde se ponen los tabiques para su cocimiento.
Cavidad de cuerpo negro: Caja con un pequeño orificio en una de sus paredes, la
energía radiante incide a través del orificio y es absorbida por las paredes por medio de
múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción se escapa a través del orificio.
Concentrador parabólico axial: Concentrador formado por un paraboloide de
revolución que enfoca la irradiancia solar directa en un punto o zona de área limitada.
Concentrador parabólico fuera de eje: Sección lateral de un paraboloide circular
cortado de manera inclinada, que le da una forma elíptica.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xiii
Efecto fototérmico: Generación de calor por acción de la luz.
Espejo esclavo: Espejo con uno o dos grados de libertad de movimiento sobre el
pivote que lo soporta.
Espejo maestro: Espejo fijo que está al centro de un arreglo de filas y columnas de un
helióstato.
Foco: Punto donde converge la radiación reflejada por un espejo cóncavo o refractada
por una lente.
Helióstato: Dispositivo que consiste de una superficie reflectiva compuesta de un
conjunto de espejos que reflejan los rayos solares sobre un objetivo y hacen
seguimiento continuo del Sol.
Helióstato no-imagen: Dispositivo que proyecta una imagen de diferente forma
geométrica que el helióstato.
Hilada: Serie horizontal de ladrillos.
Horno solar: Dispositivo que enfoca la radiación solar en superficies pequeñas para
calentar cuerpos a altas temperaturas.
Horno tradicional: Cámara construida con tabiques cocidos, para cocer tabique crudo,
usando material de desecho como aceite quemado, basura, llantas, diesel, etc.
Irradiación: Es la energía incidente por unidad de área, se calcula por la integración de
la irradiancia en un tiempo específico, usualmente una hora o un día, su unidad es
J/m2.
Irradiancia: Es el flujo radiante que incide en una superficie por unidad de área, su
unidad es W/m2.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xiv
Masa de aire: Radio de masa de la atmósfera a través de la cual pasa la radiación
directa del Sol.
Mufla: Horno eléctrico de laboratorio.
Perihelio: Punto en la órbita de un planeta más cercano al Sol.
Pirheliómetro: Detector colimador con seguidor solar para medir la radiación normal
directa del Sol.
Reflectividad difusa: Propiedad de una superficie cuando la radiación reflejada se
distribuye uniformemente en todas direcciones.
Reflectividad especular: Propiedad de una superficie que genera que el ángulo de
incidencia sea igual al ángulo de reflexión.
Seguidor solar: Mecanismo automático que permite que un concentrador solar se
mueva a lo largo del día, para que esté posicionado de manera que la irradiancia sea
máxima sobre su apertura.
Seguimiento primario: Movimiento global del marco del helióstato con el espejo
maestro.
Seguimiento secundario: Movimiento local de los espejos esclavos.
Tamaño de mancha: Dimensiones del reflejo del Sol generadas por un espejo.
Zenit: Punto de intersección de la esfera celeste con la vertical del observador.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xv
RELACIÓN DE FIGURAS, TABLAS Y GRÁFICAS
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xvi
RELACIÓN DE FIGURAS, TABLAS Y GRÁFICAS
Figuras
1. Preparación de la mezcla de arcilla, agua y otros materiales para
elaborar tabiques……...……..........................................................................
xxxvi
2. Preparación del terreno para el moldeo de los tabiques........................... xxxvi
3. Elaboración de tabique a partir de lodo arcilloso en moldes de madera... xxxvii
4. Tabiques crudos acomodados para su secado......................................... xxxviii
5. Imagen del hogar de un horno tradicional para el cocimiento de
tabiques………………………………………………………………………. xxxviii
6. Acomodo de los tabiques dentro del horno tradicional…………..……..…. xxxix
7. Horno tradicional caliente con capa de estiércol en la parte superior
para evitar pérdida de calor....................................................................... xl
8. Imagen de combustibles utilizados para el funcionamiento de los hornos
tabiqueros tradicionales…......................................................................... xli
9. Imagen de la contaminación generada por los hornos tabiqueros
tradicionales…………………………………………………………………. xli
10. Esquema de la parte posterior de un helióstato...................................... xliv
11. Esquema de un concentrador parabólico................................................ xliv
12. Prototipo de horno solar empleado en el análisis experimental donde
se indican los principales elementos del mismo..................................... xlviii
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xvii
13. Cámara de cocción. Los tabiques se colocan a lo largo y alrededor de
la cámara de cocción…………………………………………………..…… xlviii
1.1. Esquema que muestra la variación de la masa de aire a través de la
atmósfera..…………………………………………………………………... 7
1.2.a) Sistema de coordenadas basado en el centro de la Tierra.…….…… 9
1.2.b) Sistema de coordenadas basado en el helióstato…………………….. 9
1.3. Seguidor de dos ejes (rotación-elevación) para un helióstato…………. 10
1.4. Imagen de un pirheliómetro y diagrama de su funcionamiento………… 11
1.5. Representación esquemática de transmitancia τ, absortancia α y
reflectancia ρ………………………………………………………………… 12
1.6. Esquema de la ley de reflexión……………………………………………. 13
1.7. Reflectividad especular ideal, difusa ideal y de una superficie real…… 14
1.8.a) Esquema de la reflexión en espejo de primera superficie……………. 15
1.8.b) Espejo de segunda superficie…………………………………………… 15
1.9.a) Espejo concentrador por reflexión………………………………………. 17
1.9.b) Lentes concentradores por refracción……………………………….…. 17
1.10. Esquema del perfil de una lente de Fresnel…………………………….. 17
1.11.a) Espejo hemisférico (puntual)…………………………………………… 18
1.11.b) Canal parabólico (lineal)………………………………………………... 18
1.12. Esquema del funcionamiento de un concentrador parabólico
compuesto (concentrador fijo)……………………………………………... 19
1.13. Esquemático de un helióstato (concentrador móvil)…………………… 19
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xviii
1.14.a) Torre central (receptor fijo)……………………………………………... 20
1.14.b) Disco parabólico (receptor móvil)……………………………………… 20
1.15. Esquema de seguimiento en un eje..................................................... 21
1.16. Esquema de seguimiento sobre un eje horizontal……………………... 22
1.17. Esquema de seguimiento sobre un eje inclinado………………………. 22
1.18. Esquema de seguimiento azimut-elevación…………..………………… 24
1.19. Esquema de seguimiento rotación-elevación…………………………... 24
1.20. Esquema de transferencia de calor por convección…………………… 27
2.1. Diagrama general de los componentes del horno solar para
cocimiento de tabiques de arcilla………………………………………….. 32
2.2. Ubicación del horno solar en las instalaciones del CICATA-IPN
Querétaro…………………………………..………………………………... 33
2.3. Imagen del terreno donde se va a instalar el horno solar…………..…... 34
2.4. Esquema de la instalación del horno solar en el terreno……………..… 34
2.5.a) Esquema de la vista frontal del helióstato…………………….……….. 35
2.5.b) Esquema de la vista posterior del helióstato………………….……….. 35
2.6. Esquema del seguidor rotación-elevación………………………………... 36
2.7. Esquema del concentrador parabólico fuera de eje………….….……… 37
2.8. Concentrador parabólico fuera de eje (reflector tipo-Scheffler)…...…… 38
2.9. La energía es absorbida por las paredes de Hastelloy X a través de
múltiples reflexiones………………………………………………………… 39
2.10. Esquema de la cámara de cocción del horno solar para el cocimiento
de tabiques de arcilla……………………………………………………….. 39
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xix
3.1. Imagen de la cimentación………………………………………….……… 55
3.2. Esquema de la cimentación……………………………...………………… 55
3.3.a) Esquema del pedestal que soporta el helióstato……………………… 56
3.3.b) Imagen del pedestal……………………………………………………… 56
3.4. Juego de placas para orientar el sistema hacia el sur geográfico…….. 57
3.5. Chumaceras y eje para el movimiento de rotación del helióstato……… 58
3.6. Estructura para helióstato de 3 x 3 m…………..………………………… 59
3.7. Estructura para los espejos………………………………………………… 60
3.8. Componentes de los espejos………………………………………………. 61
3.9. Las esquinas de la superficie reflejante se doblan hacia fuera………… 61
3.10. Se agrega solera de acero de 0.025 m………………………………….. 62
3.11.Superficie reflejante después de la modificación, las esquinas no se
doblan hacia fuera 62
3.12. Montaje de la estructura con la retroexcavadora……………………... 64
3.13. Montaje de la estructura en el pedestal………………………………... 65
3.14. Esquema de la aberración de astigmatismo…………………………... 66
3.15. Movimiento de rotación del helióstato………………….………………. 67
3.16. Movimiento de elevación del helióstato……………….………………. 68
3.17. Diagrama de bloques del sistema………………………………………. 70
3.18. Componentes del seguidor solar...………………………………………. 70
3.19. Algoritmo para el desarrollo de programa para el seguidor solar…… 71
3.20. Rotación del helióstato para conservar el Sol, la normal de la
superficie y el objetivo en el mismo plano……………………………………... 75
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xx
3.21. Seguidor rotación-elevación…………….……………………………….. 76
3.22.a) Sistema de coordenadas basado en el centro de la Tierra…………. 78
3.22.b) Sistema de coordenadas basado en el helióstato…………………… 78
3.23. Rotación de transformación del ángulo φ alrededor del eje CE…….… 78
3.24. Rotación de transformación del ángulo ϕ alrededor del eje OR…….... 79
3.25. Rotación de transformación del ángulo λ alrededor del eje OU……… 79
3.26. Obtención de δθ…………………………………………………………..... 82
3.27. Sistema de seguimiento secundario. Un solo gato de tijera y una
barra transmiten movimiento a toda una fila o columna de espejos……….. 84
3.28. Helióstato de 5 filas y 5 columnas……………………………………….. 84
3.29. Obtención de σ……………………………………………………………... 85
3.30. Obtención de γ……………………………………….………………...…... 86
3.31. Cálculo de los ángulos con el programa de computación…………….. 87
3.32. Tarjeta del seguidor solar……………………………………..………….. 88
3.33. Esquema del helióstato soportado por las chumaceras………………. 89
3.34. Componentes del seguidor solar…………………………………..…….. 91
3.35. Cimentación de la estructura que soportará los paneles fotovoltaicos. 92
3.36. Estructura que soportará los paneles fotovoltaicos.…………..……….. 92
3.37. Contrapeso del helióstato………………………..………………...…….. 93
3.38. Diámetro angular del Sol cuando es visto desde la Tierra……...…….. 94
3.39. Alineación del sistema óptico……………………………….……...…….. 101
3.40. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico +
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxi
cámara de cocción (22.mar a las 12:00 horas)……………………………….. 102
3.41. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico +
cámara de cocción (21.jun a las 12:00 horas)……………………………….. 103
3.42. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico +
cámara de cocción (21.sep a las 12:00 horas)……………………………….. 103
3.43. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico +
cámara de cocción (21.oct a las 12:00 horas)……………………………….. 104
3.44. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de
cocción (22.mar a las 12:00 horas)…………………………………………….. 105
3.45. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de
cocción (21.jun a las 12:00 horas)…………………………………………….. 105
3.46. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de
cocción (21.sep a las 12:00 horas)…………………………………………….. 106
3.47. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de
cocción (21.oct a las 12:00 horas)…………………………………………….. 106
3.48. Espejo parabólico fuera de eje…………………………………………… 107
3.49. El eje de simetría es paralelo con los rayos incidentes, la cámara de
cocción se localizaría en el foco F generando una sombra en el
concentrador parabólico…………………………………………………………. 108
3.50. Cimentación para soportar las estructuras del concentrador
parabólico…………………………………………………………………………. 109
3.51. Vaciado del concreto en uno de los dados del concentrador
parabólico…………………………………………………………………………. 109
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxii
3.52. Estructura y espejos del concentrador parabólico…………………..…. 110
3.53. Esquema del concentrador parabólico montado en dos estructuras
de ángulo de acero……………………………………………………………….. 111
3.54. Concentrador parabólico montado en dos estructuras de ángulo de
acero……………………………………………………………………………….. 112
3.55. Cámara de cocción………………………………………………………… 113
3.56. Moldes para la cámara de cocción………………….…………………… 114
3.57. Plataforma elevadora para la cámara de cocción……………………… 115
4.1. Cabeceo de probetas……………………………………………………… 125
4.2. Probeta sometida a compresión………………………………………….. 126
4.3. Determinación de la absorción de agua…………………………………. 128
4.4. Probetas para determinar reflectancia especular………………………. 130
4.5. Tamaño de la mancha solar cuando el tornillo gira…………………….. 137
4.6. a) y b) Medición del torque en la parte frontal del helióstato, c) y d)
Medición del torque en la parte posterior del helióstato…………………….. 138
4.7. Comparación de la dispersión de las manchas intersectadas por un
objetivo (“target”) generadas por un helióstato tradicional (lado izquierdo) y
un helióstato no-imagen (lado derecho) a diferentes horas del 21 de junio.
a) 7 A.M. b) 9 A.M. c) 11 A.M. d) 1 P.M. e) 3 P.M……………………………. 139
4.8. Algoritmo para determinar el tamaño de la mancha solar……………… 145
4.9. Sistema para el cálculo del tamaño de la mancha solar. 146
4.10. Cambios de color en una muestra de Hastelloy X sometida a
diferentes temperaturas, desde 300 a 1150 ºC……………………………….. 147
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxiii
4.11. Cambios de color en una muestra de Hastelloy X sometida a
diferentes temperaturas, desde 900 a 1150 ºC……………………………….. 151
Tablas
1.1. Clasificación de los colectores concentradores…................................. 25
2.1. Irradiación normal directa medida en Querétaro y energía
interceptada por la cavidad de cuerpo negro calculada para el 21 de junio.. 45
2.2. Temperatura interna de la cámara de cocción calculada para el 21 de
junio………………………………………………………………………………. 47
2.3. Materiales para construir el helióstato………………………………........ 48
2.4. Seguidor solar……………………………………………………………….. 49
2.5. Materiales para construir el concentrador parabólico fuera de eje…….. 50
2.6. Materiales para construir la cámara de cocción…………………………. 51
3.1. Cálculo del número de día (N)……………..…………………...…………. 72
3.2. Tamaño de mancha generada por las filas............................................ 98
3.3. Tamaño de mancha generada por las columnas………………………... 100
4.1. Energía para cocer un tabique…………………………………………….. 121
4.2. Color………………………………………………………………………….. 123
4.3. Diferencia de peso de un tabique crudo y un tabique cocido………….. 124
4.4. Resistencia a la compresión……………………………………………….. 126
4.5. Absorción de agua…………….…………………………………………….. 129
4.6. Reflectancia del espejo de aluminio (22.mar)……………………………. 133
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxiv
4.7. Reflectancia del espejo de aluminio (21.jun)……………………………. 134
4.8. Reflectancia del espejo de aluminio (21.sep)……………………………. 135
4.9. Reflectancia del espejo de aluminio (21.dic)……………………………. 136
Gráficas
1.1. Curva de distribución espectral de la irradiancia solar a una distancia
media de la Tierra al Sol según la WRC……...……......................................
4
1.2. Variación de la radiación extraterrestre a lo largo del año……………... 5
2.1. Temperatura interna de la cámara de cocción calculada para el 21 de
junio………………………………………………………………………………… 47
4.1. DSC de una muestra obtenida en la Amazcala parte alta…………….... 121
4.2. Cambio de color vs. temperatura………………………………………….. 123
4.3. Diferencia de peso vs. temperatura………………………………………. 124
4.4. Resistencia a la compresión vs. temperatura……………………………. 127
4.5. Absorción de agua vs. temperatura……………………………………….. 129
4.6. Reflectancia especular para la selección de superficies………………... 131
4.7. Reflectancia vs. longitud de onda (22.mar, θ1 = 40.573º)...................... 133
4.8. Reflectancia vs. longitud de onda (21.jun, θ1 = 52.370º)....................... 134
4.9. Reflectancia vs. longitud de onda (21.sep, θ1 = 40.471º)...................... 135
4.10. Reflectancia vs. longitud de onda (21.dic, θ1 = 28.766º)...................... 136
4.11. Pérdidas de calor máximas anualmente en función del diámetro del
receptor. Curva de arriba: helióstato tradicional. Curva de abajo: helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxv
no-imagen...................................................................................................... 140
4.12. Ángulo de rotación (ρ) del helióstato en función de la hora solar de la
ciudad de Querétaro……………………………………………………………... 141
4.13. Ángulo de elevación corregido (θ’) del helióstato en función de la
hora solar de la ciudad de Querétaro………………………………………… 142
4.14 Movimiento angular (σ’) de las filas en función de la hora solar para L
= 20 m…………………………………………………………………………….. 143
4.15. Movimiento angular (γ’) de las columnas en función de la hora solar
para L = 20 m…………………………………………………………………….. 144
4.16. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra A..………………………... 148
4.17. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra B..………………………... 148
4.18. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra C..………………………... 149
4.19. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra A..…….…………………... 149
4.20. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra B..…….…………………... 149
4.21. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra C..…….…………………... 150
4.22. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra A..…….…………….…... 151
4.23. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra A..…….…………………... 152
A. DSC de una muestra de Amazcala parte baja…..…….…………………... 169
B. DSC de una muestra de la Solana poniente parte intermedia…………… 170
C. DSC de una muestra de la Solana poniente parte superior……………… 170
D. DSC de una muestra de la Solana poniente parte baja……...…………… 171
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxvi
RESUMEN
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxvii
RESUMEN
La producción de tabiques de arcilla (ladrillos) es una actividad económica artesanal de
la cual dependen muchas familias mexicanas. Dichos tabiques se utilizan en grandes
cantidades a pesar del desarrollo de nuevos materiales de construcción. En México
existen alrededor de 8000 hornos artesanales para el cocimiento de tabiques de arcilla
[INEGI, 2007]. El proceso artesanal de fabricación inicia con la preparación de una
mezcla arcillosa moldeada, secada y finalmente cocida. El cocimiento en horno
artesanal genera contaminación hacia la atmósfera al quemar residuos industriales y
caseros en la mayoría de los casos altamente contaminantes; además llantas, leña y
todo tipo de desperdicios de madera y en algunos casos aceite quemado, diesel y
combustóleo.
En este proyecto doctoral se expone una alternativa para tener un ahorro en
combustibles fósiles y en consecuencia la disminución de gases que propician el efecto
invernadero, utilizando la energía solar para el cocimiento de los tabiques de arcilla. El
estado del arte señala que es posible alcanzar temperaturas altas utilizando reflectores
parabólicos o lentes para enfocar la radiación solar. En el mundo existen diferentes
hornos solares que superan 1000 ºC, por ejemplo los que están en Odeillo, Francia y
Almería, España. En CICATA Querétaro se está desarrollando un prototipo que
alcanzará temperaturas entre 900 y 1050 ºC, intervalo adecuado para cocer tabiques o
productos cerámicos similares.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxviii
El presente reporte describe el diseño y caracterización de los componentes de un
horno solar para el cocimiento de tabiques de arcilla de 0.07 x 0.14 x 0.28 m dentro de
una cámara con una capacidad para 40 piezas. Para dirigir la luz del Sol hacia la
cámara de cocimiento, se emplea un helióstato con 9 espejos de 1 x 1 m que dirigen
los rayos del Sol a un concentrador parabólico fuera de eje que enfoca la luz a la
entrada de la cavidad de cuerpo negro. El helióstato tiene un seguidor solar que realiza
los ajustes primario y secundario para garantizar que la irradiación solar siempre llegue
al concentrador parabólico. La cámara de cocción tiene un cuerpo negro que absorbe
la radiación solar para generar el calor que es necesario en la cocción de los tabiques
en el interior de la cámara.
Aunque se describen cada uno de los elementos del sistema como son el helióstato, el
concentrador y la cámara; el trabajo de investigación de programa doctoral se enfocará
en la optimización de la cámara de cocimiento o cuerpo negro.
Este trabajo se ubica dentro de las investigaciones para el uso de energías renovables.
Con el uso de un horno solar para cocer tabiques se elimina la contaminación del
medio ambiente con un ahorro de combustibles no renovables y un beneficio para la
salud de los tabiqueros y la población que vive cerca de los hornos tradicionales.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxix
ABSTRACT
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxx
ABSTRACT
Production of clay bricks is a cottage industry on which many Mexican families depend.
These bricks are used in large amounts in spite of the development of new construction
materials. In Mexico there are around 8000 traditional kilns for clay brick firing [INEGI,
2007]. The manual process begins with the preparation of a clayey mixture which is
molded, dried, and finally fired. The firing process in traditional kilns generates
atmospheric pollution when industrial and domestic scrap is burned, in addition to tires,
firewood and all kind of wood residues, and in some cases diesel, oil, and fuel oil.
The present thesis proposes an alternative which aims of saving fossil fuels and
reducing the output of green house gases, using the solar energy for clay-brick firing.
The state of the art indicates that it is possible to obtain high temperatures using
parabolic reflectors or lenses to focus the solar radiation. In the world there are different
solar furnaces that surpass 1000 ºC, for example the solar furnaces of Odeillo, France
and at Almería, Spain. In CICATA Querétaro a prototype is being developed that will
reach temperatures between 900 and 1050 ºC; this interval is high enough to fire bricks
or similar ceramic products.
The present report describes the design and characterization of the components of a
solar furnace for clay-brick firing, with interior chamber dimensions of 0.07 x 0.14 x 0.28
m, which can accommodate 40 pieces. In order to send the sunlight to the firing
chamber, a heliostat with nine 1 x 1 m mirrors is used to reflect the rays of the Sun onto
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxi
an off-axis parabolic concentrator that focuses the light to the entrance of the black-
body cavity. The heliostat has a solar tracking system which makes primary and
secondary adjustments to guarantee that the solar radiation always arrives at the
parabolic concentrator. The firing chamber contains a black body that absorbs the solar
radiation to generate the heat which is needed in the baking of the bricks inside the
chamber.
Although each one of the components of the system are described, i. e. the heliostat,
the concentrator, and the chamber, the research work of the doctoral program will focus
on the optimization of the firing chamber or black body.
This work is part of the research for the use of renewable energies. The solar furnace
for clay-brick firing eliminates the environmental pollution, resulting in saving of non-
renewable fuels and in a health benefit for the brickmakers and other people who live
near the traditional kilns.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxii
INTRODUCCIÓN
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxiii
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo doctoral describe el diseño y la caracterización de un horno solar de
alta temperatura para el cocimiento de tabiques de arcilla (ladrillos). Con el uso de la
energía solar se pretende evitar la contaminación del medio ambiente (aire, suelo y
agua).
Para un horno solar como éste se requiere un helióstato con nueve espejos, cada uno
con dimensiones de 1 x 1 m, que dirija los rayos del Sol a un concentrador parabólico
fuera de eje, éste a su vez los enfoca a una cámara de cocción. La geometría fuera de
eje es utilizada para evitar que la cámara de cocción genere sombra en el
concentrador. Todas las superficies reflejantes están hechas de aluminio anodizado
(eloxado). En el interior de la cámara se encuentra una cavidad de cuerpo negro que
absorbe la radiación solar y a su vez emite el calor generado a los tabiques colocados
alrededor de la cavidad. La cámara de cocción tiene una pared compuesta, consiste de
una cubierta sólida de material cerámico refractario en el interior, seguida por una
colchoneta aislante de fibras cerámicas Kaowool y en el exterior un recubrimiento de
lámina de acero al carbón para reducir las pérdidas de calor.
Para el diseño del horno se han realizado ensayos de cocimiento de piezas de tabique
de arcilla, obtenidas en el estado de Querétaro en poblaciones tabiqueras como La
Solana, Amazcala y otras. Los tabiques de arcilla crudos fueron cocidos en una mufla
de laboratorio a diferentes temperaturas y tiempos de cocción, como resultado de estas
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxiv
pruebas se determinó el rango de temperatura de 950 y 1050 ºC y un tiempo de
cocimiento promedio de 12 horas. Además, los tabiques cocidos en el horno solar
deben cumplir con las normas NMX-C-036-1983 (Resistencia a la compresión) y NMX-
C-037-1986 (Determinación de la absorción de agua), para garantizar su uso confiable
en la construcción.
I.1. Antecedentes
La producción de tabiques de arcilla, por su carácter artesanal, puede aprovechar la
energía solar en su proceso. Además del secado a la intemperie con la ayuda del Sol y
el viento, la energía solar se puede aprovechar mediante colectores concentradores
con un sistema óptico con acabado perfecto para obtener temperaturas altas de más
de 3500 ºC [ITESO, 1995].
Los tabiques de arcilla aún se emplean en obras civiles y construcciones
arquitectónicas, a pesar del desarrollo de otros materiales de construcción que tienden
a desplazarlos. De acuerdo al INEGI en su resumen “Características principales de las
unidades económicas por municipio, sector, subsector, rama y subrama de actividad
2003”, existen en México 8756 unidades económicas dedicadas a la fabricación de
productos de arcilla para la construcción; en el estado de Querétaro hay 187 unidades
económicas de este rubro [INEGI, 2007].
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxv
I.2. Proceso tradicional de elaboración del tabique
El proceso de fabricación es semejante en las diferentes zonas aunque la materia
prima y el combustible varían de acuerdo a la disponibilidad en la zona; por ejemplo,
los ingredientes que se utilizan en la mezcla arcillosa pueden variar de una a otra zona,
así como el tiempo de secado varía de acuerdo a la temperatura ambiente, o incluso el
acomodo de los tabiques dentro del horno puede ser diferente. A continuación se
describe el proceso de fabricación utilizado en La Solana en el estado de Querétaro:
1. Se inicia extrayendo tierra arcillosa del suelo del terreno, la cual se apisona para
homogeneizar las partículas graduadas de tamaño menor a 0.01 m
aproximadamente.
2. Se prepara una mezcla arcillosa con las siguientes proporciones:
• 0.2 m3 de polvo arcilloso.
• 0.1 m3 de aserrín de madera (también puede utilizarse paja).
• 0.1 m3 de estiércol de vaca.
• 0.05 m3 de agua.
3. Todo este material se mezcla con una pala o zapapico, hasta que el agua se
incorpora a la mezcla, obteniendo un material maleable fácil de moldear, como
se muestra en la Figura 1.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxvi
Figura 1. Preparación de la mezcla de arcilla, agua y otros materiales para elaborar tabiques.
4. Se prepara el terreno para el moldeo de los tabiques, como se muestra en la
Figura 2, inicia con la limpieza para humedecerlo, después se esparce polvo de
tabique o arena para poder levantar los tabiques sin dañarlos.
Figura 2. Preparación del terreno para el moldeo de los tabiques.
5. La pasta se vierte en un molde de madera con seis cavidades, cada una de ellas
con las dimensiones de un tabique. Este molde de madera se moja totalmente
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxvii
antes de vaciar la pasta sumergiéndolo en agua para eliminarle los residuos de
arcilla y evitar que se adhieran al tabique.
6. El molde se coloca en el suelo y se procede a rellenarlo con el lodo arcilloso, tal
como se muestra en la Figura 3. Con la mano se hace una presión para
acomodar el lodo, finalmente, pasando una regla de metal humedecida sobre la
cara superior de los tabiques, se elimina el material sobrante y se alisa la
superficie.
Figura 3. Elaboración de tabique a partir de lodo arcilloso en moldes de madera.
7. Los tabiques se secan bajo los rayos del Sol, durante dos días.
8. Se levantan los tabiques del suelo y se colocan de manera vertical tomando
como base tres hiladas de tabique sin cocer, una encima de la otra. A partir de la
cuarta hilada hasta la séptima o novena, los tabiques se colocan con una
separación entre ellos de 0.02 m y se giran con un cierta inclinación. La
siguiente hilada superior, se gira en sentido contrario a la hilada anterior, para
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxviii
dejar huecos que permiten el paso de la corriente de aire incrementando el
secado, aunado al calor del Sol. La Figura 4 muestra la manera de colocar los
tabiques para su secado.
Figura 4. Tabiques crudos acomodados para su secado.
9. Los tabiques permanecen dos días secándose y al tercer día se inicia el proceso
de acomodo dentro del horno tradicional, el cual tiene una o dos zanjas poco
profundas (hogar) para introducir el combustible. La Figura 5 muestra el hogar
de un horno tradicional.
Figura 5. Imagen del hogar de un horno tradicional para el cocimiento de tabiques.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xxxix
10. En ambos lados en la parte inferior del horno, a lo largo del mismo, se colocan
tres hiladas de tabique seco y otra al centro del horno. Después se colocan
hileras de tabique con una separación de 0.02 a 0.03 m entre sus caras, para
permitir el paso del calor. La siguiente hilada de la columna se coloca entre 20° a
30° con respecto a la hilada inferior y de igual manera se procede a colocar el
tabique a una separación de 0.02 a 0.03 m, tal como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Acomodo de los tabiques dentro del horno tradicional.
11. Se pone en funcionamiento el horno durante 12 horas (de la mañana a la tarde)
con alimentación continua de combustible, se requieren aproximadamente 0.8
m3 de aceite quemado para una horneada de 10000 tabiques.
12. Una vez que el calor llega a la parte superior del horno se tapa el hogar y en la
parte superior se colocan bastidores para poner una capa de estiércol, basura o
aserrín, ver Figura 7.
Hileras de tabiques
separados de 0.02 a 0.03 m
Hilada colocada entre 20 a 30º con
respecto a la hilada inferior
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xl
Figura 7. Horno tradicional caliente con capa de estiércol en la parte superior para evitar pérdida
de calor.
13. El tercer día después de que se inició el proceso de cocimiento se destapa el
horno para posteriormente comenzar a descargarlo.
La capacidad de los hornos tradicionales para el cocimiento es de 9000 a 13000
tabiques por corrida y usualmente funcionan una vez al mes. Estos hornos requieren
combustibles fósiles tales como aceite quemado, desechos domésticos o industriales,
basura, llantas o diesel, lo cual deteriora el ambiente gravemente; alternativamente se
utiliza madera generando deforestación en la corteza terrestre. Las Figuras 8a) y 8b)
muestran algunos de los combustibles empleados en los hornos tradicionales, y en las
Figuras 9a) y 9b) se puede observar la contaminación atmosférica que generan.
Capa de estiércol, basura o aserrín Horno
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xli
Figura 8. Imagen de combustibles utilizados para el funcionamiento de los hornos tabiqueros
tradicionales.
Figura 9. Imagen de la contaminación generada por los hornos tabiqueros tradicionales.
El propósito del presente proyecto consiste en reducir el uso de los combustibles fósiles
y de esta manera evitar la emisión de contaminantes al medio ambiente.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlii
I.3. Hornos solares
A la combinación de un concentrador parabólico estacionario y un helióstato se le
conoce como horno solar (Ries & Schubnell, 1990).
De unas décadas a la fecha ha incrementado la investigación sobre hornos solares. En
Natick, Massachusetts, en la década de los 50’s se construyó un espejo parabólico de
grandes dimensiones para concentrar los rayos solares en el foco de una parábola que
alcanzó temperaturas de 4400 ºC. En la década de los 60’s se fabricó en Odeillo,
Francia, un horno solar que aprovecha la fachada de un edificio formando un espejo
parabólico para concentrar los rayos solares en una construcción cercana; en el foco
de este espejo se alcanzan temperaturas de 4000 ºC [Tonda, 1998]. En Barstow,
California, está localizada la planta termoeléctrica de 10 MWe “Solar Two”, produce
electricidad con una torre central que utiliza un sistema de sal fundida [Reilly and
Pacheco, 2000] con suficiente capacidad de almacenamiento térmico para que la
turbina opere tres horas después de que se oculta el Sol [Speidel et al., 1998]. En
Almería, España, cuatro helióstatos dispuestos en dos niveles enfocan la energía a un
concentrador, el cual concentra la energía radiante en su zona focal alcanzando 300
kW/m2 y una potencia de 58 kW [PSA, 2007].
Otros ejemplos son los helióstatos en Albuquerque, Nuevo México, EUA [Alpert et al.,
1991], el horno solar de alto flujo en Golden, Colorado, EUA [Lewandowski et al., 1991],
el horno solar con potencia térmica de 1000 kW en Uzbekistan [Riskiev y Suleimanov,
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xliii
1991] y el helióstato con seguidor solar trabajando en la modalidad de rotación-
elevación en Malasia el cual proyecta una mancha solar sobre un concentrador
parabólico [Chen et al., 2001; Chen et al., 2002].
Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para
enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de esta manera calentar cuerpos a
altas temperaturas. El límite superior de temperatura que puede obtenerse en un horno
solar esta determinado por el segundo principio de la termodinámica que indica que la
temperatura máxima a obtenerse es la temperatura de la superficie del Sol, es decir
6000 ºC, y la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno solar
limita la temperatura máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios
experimentales hasta 3500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4000 ºC.
Hoy en día, se emplean hornos solares en gran variedad de estudios experimentales,
entre ellos, la fusión de materiales refractarios, la realización de reacciones químicas e
investigación de las relaciones de fase en sistemas de alto punto de fusión como sílice
y alúmina, pero no hay reportes en la literatura sobre algún horno solar diseñado para
el cocimiento de tabiques de arcilla. Por esta razón en CICATA Querétaro se está
desarrollando este proyecto, el cual tiene como aportación al conocimiento el
aprovechamiento de la energía solar en una cavidad de cuerpo negro que será
calentada a temperaturas entre 900 ºC y 1050ºC por medio de radiación solar reflejada
y altamente concentrada, no en un punto sino en un volumen que emita el calor a los
tabiques colocados a su alrededor.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xliv
Algunos hornos solares utilizan helióstatos con un espejo cóncavo, formado por
muchos espejos planos para reflejar la luz a un elemento absorbedor. Los espejos
pueden estar fijos o cada uno puede tener un motor programado para seguir el
movimiento aparente del Sol. La Figura 10 muestra la parte posterior de un helióstato.
Los concentradores parabólicos se utilizan para obtener altas temperaturas arriba de
100 °C; la concentración de la luz solar se encuentra en el foco de la parábola. En el
absorbedor, se pueden lograr densidades de energía que van desde 1.5 hasta varios
miles de veces la radiación solar que llega al sistema óptico. La Figura 11 es un
ejemplo de concentrador parabólico.
Figura 10. Esquema de la parte posterior de un helióstato [Stine and Geyer, 2001].
Figura 11. Esquema de un concentrador parabólico [Stine and Geyer, 2001].
Espejos
Tubo de torque
Mecanismo de elevación
Codificador
Dispositivos electrónicos
Pedestal
BaseCaja de poder
Espejo parabólico
Punto focal
Rayo inclinado a 1º
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlv
I.4. Justificación
La humanidad requiere de energía para realizar sus actividades cotidianas, siendo las
principales: la preparación de alimentos, calentamiento de agua, transporte,
entretenimiento, industria y otros satisfactores. México y el mundo dependen
principalmente del uso de combustibles fósiles que se emplean para la producción de
energía, lo cual deteriora gravemente la ecología con alteraciones climáticas,
calentamiento de la atmósfera, destrucción de la capa de ozono, contaminación del
aire, agua y suelo.
Los productores de tabique rojo utilizan para el cocimiento de los tabiques, la energía
obtenida de la combustión de desechos industriales o domésticos (basura), o
neumáticos; para los cuales ha sido difícil implantar una reglamentación que evite la
emisión de contaminantes a la atmósfera; también se utiliza madera que es un recurso
natural, lo que tiene un alto impacto en la deforestación.
A lo anterior se suma la situación de las industrias establecidas en San Juan del Río y
Santiago de Querétaro, las cuales entregan de manera gratuita sus desechos a los
productores de tabique, debido a que esto resulta menos costoso que seguir el
procedimiento establecido por las autoridades con respecto al confinamiento de
desechos peligrosos.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlvi
Un ejemplo de desechos peligrosos es el aceite contenido dentro de los
transformadores antiguos llamados askareles o bifenilos policlorados (PCB’s); de la
quema de askareles se derivan dioxinas, que son carcinogénicos persistentes y
acumulativos, que provocan problemas aun en pequeñas cantidades.
Se requiere que el gobierno y la industria inviertan en tecnologías avanzadas que
permitan sustituir los combustibles empleados actualmente y usar procesos menos
contaminantes; esto debido a que es difícil para los productores artesanales de tabique
implantar individualmente estas tecnologías, dada su escasa capacidad económica.
Por otra parte es importante considerar que en México existen regiones con alto nivel
de irradiación solar y a diferencia de otros países se tienen días soleados casi todo el
año. Desde el punto de vista social la energía solar constituye una opción
prácticamente interminable. A largo plazo la producción de energía estará basada en la
energía solar junto con otras fuentes renovables de energía, considerando que el
agotamiento del petróleo comenzará a mediados del siglo XXI, además la fabricación
de equipos solares permitirá un nuevo desarrollo empresarial y por lo tanto la creación
de nuevas fuentes de trabajo.
La utilización de la energía solar para el cocimiento de los tabiques permitirá la
eliminación de emisiones contaminantes hacia el aire, tierra y agua por la quema de
desechos industriales altamente contaminantes, el ahorro de energéticos y la
preservación de recursos forestales.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlvii
I.5. Nuevo proceso de cocimiento de tabiques empleando el horno
solar
El presente proyecto doctoral propone una alternativa tecnológica basada en el empleo
de energía solar para la cocción de los tabiques de arcilla y evitar de esta manera
emisiones contaminantes. El proceso de preparación de tabiques es el mismo descrito
en los pasos del 1 al 8 propuestos en la sección I.2. El cambio es a partir del paso 9,
donde se empieza a utilizar el horno solar. Se presenta la descripción detallada del
horno solar en el Capítulo 2. La Figura 12 es un esquema del prototipo del sistema
experimental.
El nuevo proceso de fabricación de tabiques de arcilla empleando el horno solar
continúa de la siguiente manera:
9. Las hiladas de tabiques permanecen secándose entre una y dos semanas para
poder hornearlos, ya que en menos tiempo se agrietan debido al alto contenido
de humedad. Los tabiques se acomodan a lo largo y alrededor de la cavidad de
cuerpo negro que se ilustra en la Figura 13.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlviii
Figura 12. Prototipo de horno solar empleado en el análisis experimental donde se indican los
principales elementos del mismo.
Figura 13. Cámara de cocción. Los tabiques se colocan a lo largo y alrededor de la cámara de
cocción.
10. Se pone en funcionamiento el horno durante 12 horas continuas.
11. La descarga del horno se realiza al segundo día para evitar el choque térmico.
HELIÓSTATO
SEGUIDOR SOLAR
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
xlix
El horno solar aumenta la temperatura gradualmente conforme va aumentando la
radiación solar alcanzando temperaturas máximas de entre 800 y 1150°C al medio día,
a partir de ese momento comienza a enfriarse lentamente debido a que la cámara de
cocción tiene paredes compuestas de una cubierta de material refractario, una
colchoneta aislante y un recubrimiento de lámina metálica negra, esta característica
permite mantener el calor en un rango de 5 a 7 horas después del atardecer, a
diferencia de los hornos tradicionales los cuales solo tienen paredes hechas con
tabiques de arcilla que no permiten un aislamiento adecuado del calor, para alcanzar
temperaturas entre 800 y 1150°C es necesario utilizar combustibles fósiles durante 12
horas.
I.6. Estructura de la tesis
La estructura de la tesis queda conformada de la siguiente manera:
En el Capítulo 1 se presenta el marco teórico con los temas que se emplearán en el
análisis y diseño de los componentes del horno solar (radiación solar, propiedades de
radiación de los materiales, colectores concentradores de energía solar y transferencia
de calor).
El Capítulo 2 es una descripción general del horno solar para el cocimiento de tabiques
de arcilla y de los materiales y métodos utilizados en el sistema, también se realiza el
cálculo de las dimensiones del helióstato para cocer 10 tabiques entre 900 y 1050 ºC.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
l
En el Capítulo 3 se presenta el diseño y cálculos de los diferentes componentes del
horno solar (helióstato, concentrador parabólico fuera de eje y cámara de cocción).
El Capítulo 4 consiste en una caracterización de los elementos descritos en el Capítulo
3.
En el Capítulo 5 se realiza la discusión de resultados, se presentan las conclusiones y
las sugerencias para trabajos futuros.
I.7. Objetivos
Objetivo general
• Diseñar y caracterizar un horno solar que proporcione temperaturas entre 950 y
1050 ºC para el cocimiento óptimo de tabiques de arcilla.
Objetivos particulares
• Conocer el proceso de producción de tabiques de arcilla.
• Determinar las características de diseño del horno solar.
• Definir los componentes del horno solar y determinar qué materiales satisfacen
las necesidades del diseño.
• Diseñar y caracterizar los componentes del horno solar.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
li
I.8. Hipótesis
Se puede alcanzar una temperatura entre 950 a 1050 ºC empleando un helióstato con
seguidor solar en dos ejes, el cual refleja los rayos solares a un concentrador
parabólico fuera de eje y éste a su vez los dirige a un elemento receptor (cuerpo negro)
el cual absorberá la radiación incidente elevando su temperatura.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
1
CAPÍTULO 1
MARCO TEÓRICO
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
2
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO
El análisis y diseño de un horno solar de alta temperatura (950 ~ 1050 ºC) para el
cocimiento de tabiques requiere del conocimiento de diferentes disciplinas, como son:
radiación solar, propiedades de los materiales, transferencia de calor, óptica
geométrica. En el presente capítulo se incluyen temas relacionados a la “radiación
solar” para conocer las características de la energía del Sol dentro y fuera de la
atmósfera de la Tierra, los ángulos que se forman entre el Sol y el dispositivo solar, así
como el principio de funcionamiento del pirheliómetro que es un instrumento que sirve
para medir la radiación normal directa del Sol. También se describen las “propiedades
de radiación” de las superficies reflejantes y absorbedoras. Con el tema “colectores
concentradores de energía solar” se señalan las partes que lo componen y los
diferentes tipos que existen. El tema “transferencia de calor” describe los procesos de
conducción, convección y radiación.
1.1. Radiación solar
Para diseñar colectores concentradores de energía solar se requiere conocer las
características de la energía del Sol dentro de la atmósfera de la Tierra; también es
importante determinar la posición del Sol en el cielo y la dirección de la radiación
directa en cualquier instante.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
3
1.1.1. La constante solar
La distancia media de la Tierra al Sol es igual a una unidad astronómica (1 AU =
1.495x1011 m). A esta distancia el Sol es visto desde la Tierra con un ángulo de 32’. La
distancia Tierra-Sol varía a lo largo del año debido a la excentricidad de la órbita
terrestre, alcanzando un valor máximo en el afelio el 3 de julio (1.52x1011 m) y un
mínimo en el perihelio el 2 de enero (1.47x1011 m) [Stine and Geyer, 2001].
La constante solar Gsc es la potencia de la radiación solar que incide en una superficie
de área unitaria perpendicular a la dirección de propagación de la radiación, a la
distancia media Tierra-Sol fuera de la atmósfera.
Antes de realizar los primeros viajes al espacio, las estimaciones de la constante solar
se realizaban desde bases terrestres; estas mediciones eran afectadas por la opacidad
y variabilidad atmosférica debido a la presencia de humo, neblina, polvo, vapor de agua
y otros componentes encontrados cerca del suelo [Arvesen et al., 1969]. Con la
disponibilidad de aviones y globos aerostáticos y con las primeras naves espaciales se
hicieron mediciones directas de la radiación solar fuera o casi fuera de la atmósfera. El
primer valor de la constante solar aceptado por la NASA y la ASTM fue de 1353 W/m2
con un error estimado de ±1.5%.
Duncan et al. [1982] reportaron que las mediciones hechas en 3 vuelos espaciales
fueron: 1367, 1372 y 1374 W/m2. El Centro Mundial de Radiación (The World Radiation
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
4
Center – WRC) ha adoptado el valor de 1367 W/m2 con una incertidumbre del 1%
[Duffie and Beckman, 1991]. Gueymard [2004] confirma el valor de 1366.1 W/m2. Para
la presente investigación se utiliza el valor de 1367 W/m2 para el desarrollo de los
cálculos.
El Sol puede ser considerado como un cuerpo negro con una temperatura de 5777 K,
su radiación se encuentra distribuida en distintas longitudes de onda. La Gráfica 1.1.
muestra la distribución espectral de la irradiancia solar según el WRC.
Gráfica 1.1. Curva de distribución espectral de la irradiancia solar a una distancia media de la Tierra al
Sol según la WRC [Duffie and Beckman, 1991].
Longitud de onda, μm
Espectro de la WRC
Irrad
ianc
ia s
olar
esp
ectra
l, W
/m2 ·μ
m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
5
1.1.2. Variación de la radiación extraterrestre
Existen dos fuentes de variación en la radiación terrestre que deben ser consideradas.
La primera es la variación en la radiación emitida por el Sol. La literatura señala que
existen pequeñas variaciones, menores a ±1.5%, sin embargo para efectos de
ingeniería la radiación emitida por el Sol puede considerarse fija [Duffie and Beckman,
1991].
La segunda variación es la distancia de la Tierra al Sol, lo que conduce a una variación
en un rango de ± 3%. La radiación extraterrestre es variable de acuerdo al día del año y
se puede determinar mediante la siguiente ecuación,
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+= 25.365360cos034.01 n
scGonG (1.1.)
donde
Gsc = Constante solar
n = Día del año
Gráfica 1.2. Variación de la radiación extraterrestre a lo largo del año [Duffie and Beckman, 1991].
Mes
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
6
1.1.3. Masa de aire
La radiación solar es una fuente térmica de elevada temperatura, sin embargo, al
atravesar la atmósfera llega a la superficie terrestre con poco potencial para convertirse
en trabajo [Romero, 2007]. Debido a la masa de aire atmosférica no toda la radiación
solar extraterrestre que intercepta la Tierra llega a la superficie de la misma, aun en
condiciones de cielo despejado [Manrique, 1984]. La radiación solar se atenúa al
atravesar la atmósfera y este efecto varía según la trayectoria que sigue la radiación a
través de la atmósfera. Al nivel del mar, a una presión de 1013.25 mbar y cuando la
trayectoria es vertical se tiene una masa de aire unitaria. En la Figura 1.1. se aprecia
que la masa de aire es proporcional a la distancia OP = OO’/senθz. en donde θz es el
ángulo zenital. Al nivel del mar, cuando el Sol se encuentra en el zenit (θz = 0) se tiene
que m = 1.0. Por lo tanto,
m = sec θz (1.2.)
El complemento del ángulo zenital es la altura solar (α). Por ejemplo si α = 30º la masa
de aire es 2.0. Sin embargo, para α < 20º se tiene que tomar en cuenta la curvatura de
la superficie de la Tierra; con la siguiente ecuación se determina con mayor precisión la
masa de aire a nivel del mar [Manrique, 1984].
m = [1.229 + (614 sen α)2]1/2 - 614α (1.3.)
Si la presión barométrica del lugar P es diferente a la presión atmosférica del lugar Po,
las ecuaciones (1.2.) y (1.3.) se tienen que multiplicar por el cociente P/Po.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
7
Figura 1.1. Esquema que muestra la variación de la masa de aire a través de la atmósfera.
1.1.4. Ángulos solares
Cuando se quiere aprovechar la radiación solar directa se requiere la predicción del
movimiento aparente del Sol con respecto al dispositivo colector de energía solar. Cada
día, para un observador situado en la Tierra, el Sol sigue una trayectoria circular a
través del firmamento, alcanzando su punto más alto al mediodía. Esta trayectoria
circular aparente se mueve hacia puntos más altos en el firmamento en el verano
[Manrique, 1984].
En la Figura 1.2.a) se ilustra un sistema de coordenadas con origen en el centro de la
Tierra (C), donde el eje CM es una línea que va desde el origen hasta interceptar un
punto entre el ecuador y el meridiano donde se localiza el observador Q a una latitud φ.
El eje CE (este) en el plano ecuatorial es perpendicular al eje CM. El eje CP es el eje
de rotación de la Tierra. El vector CS apunta hacia el Sol y puede ser descrito en
términos del ángulo de declinación δ y el ángulo horario ω [Chen et al., 2001].
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
8
• Latitud (φ). Queda definida mediante el ángulo que determina el lugar de interés
sobre la Tierra, con respecto al plano del ecuador. Este ángulo es positivo
cuando se mide hacia el norte del ecuador, y negativo cuando lo es hacia el sur.
La latitud de la ciudad de Querétaro es φ = 20.6º norte (20º 35’ 15”).
• Declinación (δ). Define la posición angular del Sol al mediodía solar, es decir,
en el momento en que el Sol está más alto en el firmamento con respecto al
plano del ecuador. Este parámetro depende del día del año, puede calcularse
con la expresión,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⋅=365
28436045.23 nsenδ (1.4.)
donde
n = Día del año
• Ángulo horario (ω). Es igual a cero al medio día solar y adquiere un valor de
15º de longitud por cada hora, siendo negativo en las mañanas y positivo por las
tardes.
Por ejemplo:
ω = -45º a las 9:00
ω = +15º a las 13:00
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
9
Figura 1.2. a) Sistema de coordenadas basado en el centro de la Tierra. b) Sistema de coordenadas
basado en el helióstato [Chen et al., 2001].
La Figura 1.2.b) ilustra un sistema de coordenadas basado en un helióstato. El origen
del sistema de coordenadas está definido en el centro del helióstato (O). El eje OR es
paralelo a la dirección vertical del helióstato, mientras que el eje OU es paralelo a la
dirección horizontal. El eje OT es una línea que apunta desde el origen hacia el objetivo
(“target”) donde la luz solar es reflejada.
Para tener un aprovechamiento máximo con los dispositivos térmico-solares se
emplean los seguidores solares. Existen diversos tipos de seguidores, los cuales se
pueden clasificar de un solo eje o de dos ejes, en el presente proyecto se emplea un
seguidor en dos ejes (rotación-elevación) tal como se muestra en la Figura 1.3.
Sol
Sol Plano ecuatorial
Meridiano del medio día
Objetivo Helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
10
Figura 1.3. Seguidor de dos ejes (rotación-elevación) para un helióstato [Chen et al., 2001].
Con este seguidor solar se generan dos ángulos, el ángulo de rotación (ρ) cuando el
helióstato gira alrededor del eje TT’ y el ángulo de elevación (θ) cuando el helióstato
gira alrededor del eje FF’ como se muestra en las Figura 1.3.
1.1.5. Pirheliómetro
El pirheliómetro es un instrumento para medir la radiación normal directa del Sol,
consiste de una termopila localizada al final de un tubo largo alineado hacia el Sol. Este
instrumento tiene un estrecho campo de visión (5º 43’ 30”) y está montado en un
seguidor solar [Lester and Myers, 2006]. La Figura 1.4. muestra una imagen de la
posición de un pirheliómetro y un diagrama de su funcionamiento.
Pivote
Helióstato
Objetivo (“Target”)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
11
El tamaño del disco solar es de aproximadamente 0.5º, por lo tanto el pirheliómetro no
solo mide la radiación directa, sino también la radiación que proviene de la aureola que
rodea el Sol. El ángulo de 5º 43’ 30” elimina la necesidad de una gran precisión en el
sistema de seguimiento solar.
Figura 1.4. Imagen de un pirheliómetro y diagrama de su funcionamiento [Stine and Geyer, 2001].
1.2. Propiedades de radiación de los materiales
Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella se refleja, otra parte se absorbe,
y si el material es transparente, otra parte se transmite, como se muestra en la Figura
1.5.
5º Tubo (ennegrecido por dentro)
Indicador de alineamiento
Termocoples
Disco absorbedor negro
Insulación
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
12
Figura 1.5. Representación esquemática de transmitancia τ, absortancia α y reflectancia ρ.
Según la ley de la conservación de la energía estos tres componentes deben sumar la
unidad,
α + τ + ρ = 1 (1.5.)
donde
α = Absortancia
τ = Transmitancia
ρ = Reflectancia
En el caso de cuerpos opacos no hay transmisión de radiación, por lo tanto τ = 0.
1.2.1. Superficies absorbedoras
Un material absorbedor es aquel que capta la máxima radiación posible. La
absortividad es la propiedad que tiene un material para absorber una fracción de la
Radiación incidente (=1)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
13
energía incidente sobre él. Una buena superficie negra puede tener una absorción
mayor de 0.98, sin embargo, como las superficies se degradan, este valor puede
disminuir con el tiempo.
1.2.2. Superficies reflejantes
La ley de reflexión señala que un rayo que incide sobre una superficie genera un rayo
reflejado con un ángulo de reflexión r igual al incidente i (Figura 1.6.).
Figura 1.6. Esquema de la ley de reflexión.
La reflexión de la radiación puede ser especular o difusa. Cuando el ángulo de
incidencia es igual al ángulo de reflexión, la reflexión se llama especular; cuando la
radiación reflejada se distribuye uniformemente en todas direcciones se llama difusa
(Figura 1.7.). Ninguna superficie real es especular o difusa, sin embargo una superficie
con una alta calidad de pulido se aproxima a una reflexión especular, mientras que una
superficie rugosa refleja de manera difusa [Goswami et al., 2000].
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
14
Figura 1.7. Reflectividad especular ideal, difusa ideal y de una superficie real [Goswami et al., 2000].
Los colectores solares de concentración requieren el uso de superficies con alta
reflectancia especular. Las superficies reflejantes son generalmente metales altamente
pulidos o metales cubiertos con substratos reflectantes. Con los substratos opacos, los
recubrimientos reflejantes deben estar siempre en frente de la superficie.
Existen dos configuraciones típicas de espejos dependiendo de la superficie en que el
material reflejante se deposite. Los espejos de primera superficie son aquellos en que
el metal se deposita sobre la superficie de la cara frontal del material reflector. Si el
material reflejante se deposita en la parte trasera de un material estable e impermeable
entonces se dice que es un espejo de segunda superficie. La Figura 1.8. muestra un
espejo de primera superficie y un espejo de segunda superficie.
Reflectividad especular ideal
Reflectividad difusa ideal
Reflectividad de una superficie real
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
15
Figura 1.8. a) Esquema de la reflexión en espejo de primera superficie y b) espejo de segunda
superficie.
1.3. Colectores concentradores de energía solar
En muchas aplicaciones de la energía solar, sobre todo a nivel industrial, se requiere
de altas temperaturas. Las aplicaciones térmicas de alta temperatura requieren el uso
de la energía solar concentrada [Goldstein et al., 2005]. Para lograr esto es necesario
incrementar la intensidad de la radiación empleando colectores concentradores de
energía solar. La palabra colector puede ser aplicada a todo el sistema, es decir, el
concentrador y el receptor. La luz incide sobre el concentrador y es reflejada hacia el
receptor, que es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte
en otro tipo de energía, en general energía térmica o química [Montes et al.].
Con los colectores concentradores se pueden obtener temperaturas entre 100 y 500
ºC, sin embargo si las superficies tienen un buen acabado se pueden obtener
Capa reflejante en la
parte frontal La reflexión ocurre en la parte frontal de la superficie
Capa reflejante en la parte posterior La reflexión ocurre
en la parte frontal y posterior de la superficie
Múltiples reflexiones
a) b)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
16
temperaturas entre 500 y 1500 ºC y si las superficies tienen un acabado perfecto la
temperatura puede alcanzar valores entre 1500 y 3500 ºC.
Para alcanzar una alta eficiencia se requiere incrementar el tamaño de los reflectores,
mejorar los receptores para un buen intercambio de calor y mejorar el sistema de
seguimiento [Jayasimha, 2006]. Además, el acabado de las superficies del sistema
óptico debe ser de buena calidad y mantener sus propiedades por largos periodos de
tiempo sin ser deterioradas por el medio ambiente. Por otra parte el receptor debe estar
fabricado con un material que resista altas temperaturas [ITESO, 1995].
1.3.1. Concentradores
El concentrador o sistema óptico, es la parte del colector que envía la radiación al
receptor. Los concentradores se pueden clasificar de diferentes maneras:
a) Tipo de concentración. La concentración de la luz se logra con espejos (reflexión)
o con lentes transparentes (refracción) (Figura 1.9.). Un rayo que incide sobre una
superficie genera un rayo reflejado con un ángulo de reflexión igual al incidente. Se
logra una alta concentración de energía solar cuando se superpone la reflexión de
muchos espejos, o bien, doblando el espejo en una forma predeterminada.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
17
Figura 1.9. a) Espejo concentrador por reflexión. b) Lentes concentradores por refracción.
Las lentes convergentes refractan la luz entrante y la enfocan en un punto común.
Mientras más grande sea la lente, más grande será el espesor. Las lentes de Fresnel
son vidrios tallados con cortes de la lente en anillos circulares concéntricos
consecutivos, lo cual reduce el peso sin disminuir su potencia (Figura 1.10.).
Figura 1.10. Esquema del perfil de una lente de Fresnel.
b) Puntuales, lineales y de no-enfoque. Para seleccionar un concentrador específico
se requiere conocer el grado de concentración y la temperatura que se quieren
a) b)
Vidrio
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
18
alcanzar. La energía concentrada en un punto produce altas temperaturas, en una línea
produce de temperaturas moderadas a altas y los dispositivos que no tienen
seguimiento solar producen de temperaturas bajas a moderadas. La Figura 1.11.
muestra un espejo hemisférico que es un concentrador puntual y un canal parabólico
que es un concentrador lineal.
Figura 1.11. a) Espejo hemisférico (puntual). b) Canal parabólico (lineal).
c) Concentradores fijos o móviles. Los concentradores fijos requieren un mínimo
seguimiento del Sol e incluso pueden permanecer en forma estacionaria. Además
tienen la capacidad de aprovechar la radiación difusa. Las temperaturas que se
obtienen con estos dispositivos son moderadas, a pesar de esto son requeridos en
aplicaciones industriales o comerciales que requieren de bajas temperaturas. Un
ejemplo es el concentrador parabólico compuesto (CPC) (Figura 1.12.).
a) b)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
19
Figura 1.12. Esquema del funcionamiento de un concentrador parabólico compuesto (concentrador
fijo).
La máxima captación de energía en un día o en un año por un concentrador requiere
del seguimiento del Sol debido a que únicamente puede aprovechar la radiación directa
y para esto se emplean los concentradores móviles. El disco parabólico, el canal
parabólico, las lentes estándar y las lentes de Fresnel son ejemplos de concentradores
móviles. La Figura 1.13. es un helióstato con seguimiento solar en dos ejes.
Figura 1.13. Esquemático de un helióstato (concentrador móvil).
Espejos
Tubo de torque
Mecanismo de elevación
Codificador
Dispositivos electrónicos
Pedestal
BaseCaja de poder
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
20
1.3.2. Receptores
El receptor es un elemento del sistema donde la radiación es absorbida y convertida en
otra forma de energía [ITESO, 1995]. Los receptores están constituidos por el
absorbedor y en ocasiones por cubiertas y aislante. Los tipos de receptores pueden ser
cóncavos, convexos, planos, hemisféricos, cilíndricos, elípticos y concavidades. Cada
uno de estos puede ser lineal o puntual.
a) Receptores fijos o móviles. Existen dos tipos de colectores solares para
aplicaciones térmicas: los de receptor fijo y los de receptor móvil. Ejemplos de
colectores de receptor fijo son los que utilizan helióstatos como la torre central (Figura
1.14.a). y el horno solar. Ejemplos de colectores de receptor móvil son el disco
parabólico (Figura 1.14.b), el canal parabólico y el paraboloide de revolución. Los
concentradores de receptor móvil se emplean para aplicaciones donde se requieren
bajas temperaturas en comparación con los de receptor fijo.
Figura 1.14. a) Torre central (receptor fijo). b) Disco parabólico (receptor móvil). a) b)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
21
1.3.3. Seguidores solares
Los seguidores solares se clasifican en seguidores de un eje o dos ejes.
a) Seguidores en un eje. Algunos tipos de concentradores solares están diseñados
para operar con rotación en un solo eje. La Figura 1.15. ilustra como la apertura del
colector gira alrededor del eje r de tal manera que el rayo solar S esté en el plano
formado por la apertura de la normal N y el eje r.
Figura 1.15. Esquema de seguimiento en un eje [Stine and Geyer, 2001].
• Seguimiento sobre un eje horizontal. Este seguimiento se presenta cuando las
coordenadas u, b y r giran un ángulo γ a partir de las coordenadas z, e y n, tal
como se muestra en la Figura 1.16.
Normal
Ángulo de seguimiento ρ
Eje de seguimiento
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
22
Figura 1.16. Esquema de seguimiento sobre un eje horizontal [Stine and Geyer, 2001].
• Seguimiento sobre un eje inclinado. En este caso el colector (eje r definido en la
Figura 1.15.) tiene un ángulo de inclinación β, ver Figura 1.17.
Figura 1.17. Esquema de seguimiento sobre un eje inclinado [Stine and Geyer, 2001].
• Seguimiento en un eje vertical. El eje de seguimiento es colineal con el zenit.
• Seguimiento en eje inclinado igual al ángulo de latitud. Cuando el ángulo de
seguimiento del colector se le da una inclinación igual al ángulo de latitud y en
Norte
Eje de seguimiento
Este
Eje horizontal
Zenit
Eje de seguimiento
Horizonte
Eje horizontal
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
23
dirección hacia el sur, éste será paralelo al eje de rotación de la Tierra y
apuntará hacia la estrella polar.
b) Seguidores en dos ejes. Son mecanismos en que la apertura del colector siempre
está normal al Sol, por lo tanto se aprovecha al máximo la radiación recibida.
• Seguidor polar (ecuatorial). Un eje de rotación es alineado de manera paralela al
eje de rotación de la Tierra, dando una inclinación igual a la latitud del lugar. El
otro eje de rotación es perpendicular al eje polar (llamado ángulo de
declinación), el ángulo de seguimiento es el ángulo de declinación de la Tierra.
El rango de rotación alrededor del eje polar es constante a 15º/h, mientras que
alrededor del ángulo de declinación es muy lento y depende del día del año,
teniendo un valor máximo de 0.0163º/h en los equinoccios.
• Seguidor azimut-elevación. La apertura del colector tiene una rotación alrededor
del zenit (ángulo azimut) y a un eje paralelo a la superficie de la Tierra (altitud
solar). Los ángulos azimut y altitud solar no son constantes y dependen de la
latitud, hora del día y día del año (Figura 1.18.).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
24
Figura 1.18. Esquema de seguimiento azimut-elevación [Stine and Geyer, 2001].
• Seguidor rotación-elevación. El colector se mueve alrededor del eje TT’. Por lo
tanto, cuando el Sol se mueve aparentemente en el cielo de la mañana al
mediodía, el colector rotará iniciando de una posición horizontal a una posición
vertical. El movimiento de elevación es alrededor del eje FF’ (perpendicular al
plano).
Figura 1.19. Esquema de seguimiento rotación-elevación [Chen et al., 2001].
ZenitNormal
Norte
Este
Objetivo “target”
Punto pivote
Helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
25
1.3.4. Tipos de colectores concentradores
Los colectores concentradores de energía solar pueden ser clasificados en diferentes
categorías. La Tabla 1.1. ilustra como se clasifican diferentes tipos de colectores de
acuerdo al tipo de enfoque, si son lentes o espejos y si tienen concentrador y receptor
fijo o móvil; así como la razón de concentración, la temperatura que alcanzan y la
aplicación.
Tabla 1.1. Clasificación de los colectores concentradores.
Tipo de colector
Tipo de enfoque
Lente o
espejo
Concentrador fijo o móvil
Receptor fijo o móvil
Razón de Concentración
Temperatura (ºC)
Aplicación
Disco parabólico
Puntual Espejo Móvil Móvil 1000 >2638 Electricidad
Torre central
Puntual Espejo Móvil Fijo 1000 >2638 Electricidad
Lentes Puntual Lente Móvil Fijo 1000 >2638 Electricidad Canal
parabólico Lineal Espejo Móvil Fijo 100 538 Electricidad,
calor Espejo fijo con foco
móvil
Lineal Espejo Fijo Móvil 100 538 Electricidad, calor
Lentes lineales
Lineal Lente Móvil Móvil 100 538 Electricidad, calor
Esfera Lineal Espejo Fijo Móvil 80 538 Electricidad Cilindro Lineal Espejo Fijo Fijo 2 121 Calor
CPC Lineal Espejo Fijo Fijo 1.5-2.5 121 Calor
1.4. Transferencia de calor
Los sistemas fototérmicos captan la energía solar para transformarla en calor útil, sin
embargo, parte de la energía solar incidente se pierde a los alrededores en forma de
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
26
calor, otra fracción se aprovecha calentando el medio de trabajo (agua, aire, etc.) y una
fracción es acumulada [Manrique, 1984].
En cualquier diseño de ingeniería siempre se trata de aprovechar al máximo la energía
disminuyendo las pérdidas de calor a los alrededores. En esta sección se describen los
tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
1.4.1. Conducción
Es un proceso de propagación de energía en un medio sólido, líquido o gaseoso
mediante comunicación molecular directa cuando existe un gradiente de temperatura
[Manrique, 2005]. En los gases y líquidos la conducción se debe a las colisiones y a la
difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio, en los sólidos se debe a la
combinación de las vibraciones de las moléculas.
Al existir un gradiente de temperatura dentro de un medio, la segunda ley de la
termodinámica establece que la transferencia de calor se lleva a cabo desde la zona de
mayor temperatura a la zona de menor temperatura.
El flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura, es decir,
xTkq
∂∂
−=" (1.6.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
27
Donde q” es el flujo de calor por unidad de área en la dirección x, y k es la
conductividad térmica del material. A esta ecuación se le conoce como ley de Fourier
de la conducción de calor, sus unidades son W/m2, el signo negativo es introducido
debido a que el calor fluye de mayor a menor temperatura.
1.4.2. Convección
El fenómeno de transferencia de calor por convección es un proceso de transporte de
energía que se lleva a cabo como consecuencia del movimiento de un fluido (líquido o
gas) y está relacionado con el movimiento de éste. En la Figura 1.20. se considera una
placa cuya superficie se mantiene a una temperatura Ts la cual disipa el calor hacia un
fluido cuya temperatura es T∝, el sistema disipa más calor cuando se le hace pasar aire
proveniente de un ventilador, que cuando se encuentra expuesto al aire ambiente, por
lo tanto la velocidad del fluido tiene un efecto importante sobre la transferencia de calor
a lo largo de la superficie [Manrique, 2005].
Figura 1.20. Esquema de transferencia de calor por convección [Manrique, 2005].
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
28
La transferencia de calor por convección se clasifica en dos: convección forzada en la
que se hace pasar un fluido mediante la acción de un agente externo como un
ventilador o una bomba y la convección libre o natural la cual es resultado de los
gradientes de densidad al estar en contacto con una superficie de mayor temperatura y
en presencia de un campo gravitacional.
El flujo de calor disipado por el sistema en términos de la diferencia total de
temperaturas entre la superficie y el fluido se calcula mediante la ley de Newton de
enfriamiento,
)(" ∞−= TThq S (1.7.)
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor, sus unidades son W/m2K.
1.4.3. Radiación
A diferencia de la conducción y convección, la radiación no requiere de un medio para
propagar la energía. A una temperatura determinada todos los cuerpos emiten
radiación a diferentes longitudes de onda.
Un cuerpo negro es el que emite la máxima cantidad de energía radiante desde su
superficie a una razón proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta
potencia [Manrique, 2005]:
4" Tq σ= (1.8.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
29
A esta ecuación se le conoce como ley de Stefan-Boltzmann, donde σ es una
constante igual a 5.67X10-8 W/m2K4.
Pero en la naturaleza no existen cuerpos negros, los cuerpos reales emiten menor
cantidad de radiación, y se determina mediante la siguiente ecuación,
4" Tq σε= (1.9.)
Donde ε es la emisividad, que es un cociente de la emisión de radiación del cuerpo en
estudio con respecto a un cuerpo negro y adquiere valores de 0 a 1.
1.5. Comentarios finales del capítulo
Para diseñar equipos solares se deben conocer las características de la energía del Sol
fuera y dentro de la atmósfera de la Tierra, tales como: la constante solar, la variación
de la radiación extraterrestre, la masa de aire y los ángulos solares. También es muy
importante conocer las propiedades radiativas de las superficies reflejantes y
absorbedoras.
La clasificación de los colectores concentradores de energía permite identificar cuál es
el tipo de concentrador, receptor y seguidor solar que más se adapta a las condiciones
para cocer tabiques de arcilla.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
30
La energía incidente sobre un sistema fototérmico se transforma en calor útil,
transfiriéndose mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación.
Los conceptos expuestos en este marco teórico son de gran utilidad para el desarrollo
de los capítulos siguientes, que consisten en la descripción del horno solar, así como el
diseño y caracterización de los componentes (helióstato, concentrador parabólico y
cámara de cocción).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
31
CAPÍTULO 2
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL
COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
32
CAPÍTULO 2. HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA
PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
En el presente capítulo se describe de manera general el horno solar de alta
temperatura para el cocimiento de tabiques de arcilla. También se enlista la
metodología a seguir para construir el prototipo, así como los materiales y métodos a
emplear.
2.1. Descripción del sistema
El horno solar para el cocimiento de tabiques de arcilla se diseñó con una capacidad de
10 piezas, está constituido por tres componentes básicos: el helióstato, el concentrador
parabólico fuera de eje y la cámara de cocción, ver Figura 2.1.
Figura 2.1. Diagrama general de los componentes del horno solar para cocimiento de tabiques de
arcilla.
HELIÓSTATO
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
33
El horno va a estar ubicado en las instalaciones del CICATA-IPN Querétaro, en un área
de 20 X 50 m, tal como se muestra en la Figura 2.2.
Figura 2.2. Ubicación del horno solar en las instalaciones del CICATA-IPN Querétaro.
Las Figura 2.3. muestra el terreno para la instalación limpio de hierbas y tierra y la
Figura 2.4. es un esquema de la instalación del horno solar en el terreno; el helióstato
está orientado hacia el sur geográfico.
Terreno
CICATA
6º 7’ (15.nov.2008)
Sur geográfico
Sur magnético
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
34
Figura 2.3. Imagen del terreno donde se va a instalar el horno solar.
Figura 2.4. Esquema de la instalación del horno solar en el terreno.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
35
2.1.1. Helióstato
Un helióstato básicamente consiste de un reflector el cual puede ser movido alrededor
de dos ejes para seguir el movimiento diurno de la posición del Sol con el propósito de
transferir la radiación directa a un objetivo fijo [Schramek and Mills, 2004].
El helióstato consiste de una estructura hecha de ángulo de acero de 0.003 x 0.019 m y
solera de acero de 0.006 x 0.025 m. La estructura soporta 9 espejos de lámina de
aluminio anodizado calibre 26 de 1 x 1 m cada uno. El helióstato recibe los rayos del
Sol y los dirige a un concentrador parabólico fuera de eje. La Figura 2.5. muestra el
helióstato de 3 x 3 m.
Figura 2.5. a) Esquema de la vista frontal de helióstato. b) Esquema de la vista posterior del
helióstato.
a) b)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
36
El helióstato tiene un seguidor solar en dos ejes (rotación-elevación), que tiene como
propósito garantizar que la radiación solar siempre llegue al concentrador parabólico.
La Figura 2.6. ilustra el sistema rotación-elevación.
Figura 2.6. Esquema del seguidor rotación-elevación [Chen et al., 2001].
2.1.2. Concentrador parabólico fuera de eje
El concentrador parabólico fuera de eje recibe los rayos del Sol en una menor área y
los envía a la cámara de cocción. Los concentradores ópticos para energía solar
pueden estar hechos con espejos planos, y en cualquier caso para cada tipo de
concentrador puede aproximarse con superficies planas de áreas suficientemente
pequeñas [Pancotti, 2007]. Sin embargo, en el presente trabajo optamos por construir
un concentrador parabólico hecho con tiras curveadas unidimensionalmente de
aluminio anodizado calibre 26, para obtener un reflector tipo Scheffler [Scheffler, 2006].
Para construir el concentrador parabólico fuera de eje se traza una parábola, en este
Pivote
Objetivo
Helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
37
diseño se utiliza una parábola con distancia focal f de 1 m, únicamente se toma una
pequeña sección de la parábola con un diámetro de apertura suficiente para recibir los
rayos solares que provienen del helióstato, en este caso la apertura del concentrador
es de 1.58 m; la forma del concentrador es tal que el foco está fuera del reflector
[Scheffler, 2006], tal como se muestra en la Figura 2.7. Esto evita que la cámara de
cocción proyecte sombra sobre la superficie del concentrador, como sucede con los
concentradores que utilizan toda el área de la parábola (concentradores axiales)
[Gutiérrez, 2005].
Figura 2.7. Esquema del concentrador parabólico fuera de eje. El cual se toma de una sección
lateral de un paraboloide más grande cortado de manera inclinada.
A estos concentradores se les llama reflectores Scheffler; son idea del físico Wolfgang
Scheffler y se emplean en cocinas solares que permite que la cámara de cocción
permanezca inmóvil y en el interior de una casa. En la construcción del horno solar
Parábola con f = 1 m
Sección de parábola que se utiliza para construir
el concentrador parabólico fuera de eje
Helióstato
Cámara de cocción
Apertura del concentrador 1.58 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
38
para cocer tabiques de arcilla se empleará este tipo de reflector. La Figura 2.8. ilustra el
reflector construido.
Figura 2.8. Concentrador parabólico fuera de eje (reflector tipo-Scheffler).
2.1.3. Cámara de cocción
La cámara de cocción es una caja en cuyo centro se encuentra una cavidad de cuerpo
negro en forma de prisma rectangular conformada por placas de Hastelloy X (aleación
de níquel que resiste altas temperaturas) de 0.013 m de espesor. En uno de los lados
existe un orificio por donde inciden los rayos solares, la energía es absorbida por las
paredes de Hastelloy X (en parte después de múltiples reflexiones), tal como se
Tiras curveadas
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
39
muestra en la Figura 2.9., posteriormente es transmitida por convección y radiación a
los tabiques localizados alrededor de la cavidad del cuerpo negro.
Figura 2.9. La energía es absorbida por las paredes de Hastelloy X a través de múltiples reflexiones.
Para reducir las pérdidas de calor se emplea una envoltura de material cerámico
refractario de 0.05 m de espesor en el interior, una colchoneta aislante de 0.05 m de
espesor y un recubrimiento de lámina de acero al carbón calibre 22 al exterior, la Figura
2.10. muestra la cámara de cocción.
Figura 2.10. Esquema de la cámara de cocción del horno solar para el cocimiento de tabiques de
arcilla.
Concreto cerámico refractario
Colchoneta aislante
Lámina de acero al carbón
Cavidad de cuerpo negro
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
40
2.2. Cálculo de dimensiones del helióstato
Para calcular las dimensiones del helióstato para cocer 10 tabiques de arcilla a
temperaturas entre 950ºC y 1050ºC se utiliza la siguiente metodología. Primero, se
calcula la tasa a la cual la energía es reflejada por el concentrador parabólico e
interceptada por la cavidad de cuerpo negro durante un día solar (8 horas):
pérdidasnetoer QQQ +=int (2.1.)
La energía neta para cocer 10 tabiques se calcula de la siguiente manera:
solardíadelhorasNoespecíficacoccióndeEnergíacocidotabiquedelMasatabiquesdeNúmeroQneto .
))()((= (2.2.)
Mason (1998) desarrolló una metodología para determinar la energía para cocer
tabiques de arcilla, con esta metodología se calculó la energía específica para cocer un
tabique de La Solana obteniendo un valor de 985.4 kJ/kg = 273.722 Wh/kg,
considerando que la masa de un tabique cocido es 2.400 kg se tiene:
Wh
kgWhkgQneto 167.8218
)/722.273)(400.2)(10(==
Las pérdidas de energía térmica se determinan con la siguiente ecuación:
condpérdidasrpérdidaspérdidas QQQ ,, += (2.3.)
• • •
•
•
• • •
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
41
La tasa de energía térmica perdida por radiación se produce en el orificio de la cavidad
de cuerpo negro, la cual se determina con la siguiente ecuación, considerando que Aorif
= 0.115 x 0.115 m, σ = 5.67 x 10-8 W/m2·K4, εorif = 1, Tbb = 1273.16 K, Tamb = 298.16 K:
)( 44, ambbboriforifrpérdidas TTAQ −σε= (2.4.)
WmKm
WxQ rpérdidas 275.1964)16.29816.1273)(013.0)(1(1067.5 44242
8, =−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅= −
La tasa de energía térmica perdida por conducción se determina con la siguiente
ecuación:
total
ambbbcondpérdidas R
TTQ
−=, (2.5.)
donde:
extconvalácolchonetaconcretoairetabiqueairehastelloyconvtotal RRRRRRRRRR ,minint, ++++++++= (2.6.)
aláextaláalá
alá
colchonetacolchoneta
colchoneta
ccconcreto
concreto
ccaire
aire
cctabique
tabique
ccaire
aire
hastelloyhastelloy
hastelloy
bbtotal
AhAkL
AkL
AkL
AkL
AkL
AkL
AkL
AhR
minminmin
min
int,
int,
2,
int,int,
1,
int,int
1
1
++++
++++=
)0797.0)(/40(1
)797.0)(/15(001.0
)696.0)(/4.0(1.0
)449.0)(/6.0(1.0
)449.0)(/026.0(093.0
)449.0)(/64.0(07.0
)449.0)(/026.0(01.0
)057.0)(/4.27(015.0
)045.0)(/5(1
2222
222
2222
mKmWmKmWm
mKmWm
mKmWm
mKmWm
mKmWm
mKmWm
mKmWm
mKmWRtotal
⋅+
⋅+
⋅+
⋅+
⋅+
⋅+
⋅+
⋅+
⋅=
WKRtotal /243.14=
•
•
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
42
Utilizando la ecuación (2.5.) se determina la tasa de energía térmica perdida por
radiación:
WWK
KKQ condpérdidas 452.68/243.14
16.29816.1273, =
−=
Empleando la ecuación (2.3.) se determina la tasa de energía térmica perdida:
WWWQpérdidas 728.2032452.68275.1964 =+=
Por lo tanto, erQint es obtenido de la ecuación (2.1.)
WW2WQinter 984.2853728.032167.821 =+=
Las ecuaciones dadas por Stine y Geyer [2001] son utilizadas para calcular las
dimensiones del helióstato. Para este fin el concentrador parabólico es dividido en 21
tiras, cada una cubriendo un ángulo de Δψ = 0.038 radianes:
tirasdeNúmeroQ
Q erer
intint =Δ (2.7.)
WWQ er 900.13521894.2853
int ==Δ
El flujo radiante total de una tira dada es calculado con la siguiente ecuación dada por
Stine y Geyer [2001], considerando ρc = 0.9, αbb = 0.9:
ψΓΔαρΔ
=ψΦ
bbc
erQdd int (2.8.)
•
•
•
•
••
•
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
43
La fracción de flujo reflejado el cual será interceptado por la cavidad de cuerpo negro
es calculada como sigue [Abramowitz y Stegun, 1972; Stine y Geyer, 2001]:
( )xQ21−=Γ (2.9.)
donde:
( ) ( )( )55
44
33
221 tbtbtbtbtbxfxQ ++++= (2.10.)
2nx = (2.11.)
( ) 2
2
21 x
exf−
=π
(2.12.)
( )rx
xt+
=1
1 (2.13.)
con:
r = 0.2316419
b1 = 0.319381530
b2 = -0.356563782
b3 = 1.781477937
b4 = -1.821255978
b5 = 1.330274429
n = 6
Sustituyendo los parámetros anteriores en las ecuaciones de la (2.9.) a la (2.13.),
obtenemos Γ = 0.99. Por lo tanto:
( )( )( )( ) WWdd 794.4459
038.099.09.09.0900.135
==ψΦ
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
44
Finalmente, el área del helióstato es calculada considerando que Ib = 6680 Wh/m2/día =
Gb = 835 W/m2 [NASA, 2009], ρh = 0.9, y θi= 44.25º (promedio del ángulo de incidencia
en el peor caso, 21 de junio):
ibhh GG θρ= cos (2.14.)
22 301.538)25.44cos(835)9.0(mW
mWGh =°⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
Para obtener el área del helióstato se utiliza la siguiente ecuación:
hh G
dd
A ψΦ
= (2.15.)
2
2
285.8301.538
794.4459 m
mWWAh ==
Se requiere un helióstato con área de 9 m2 para la cocción de 10 tabiques de arcilla.
2.3. Temperatura interna de la cámara de cocción
Para calcular la temperatura interna máxima que alcanzará la cámara de cocción bajo
las condiciones locales, medimos la radiación solar directa Gb con un pirheliómetro
(The Eppley Laboratory, Modelo NIP) montado en un seguidor solar (The Eppley
Laboratory, Modelo ST-1) durante el solsticio de verano (21 de junio de 2006), el cual
debido a consideraciones geométricas es el día menos favorable para nuestro sistema.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
45
Calculamos el flujo de radiación interceptada erQint correspondiente para ese día. Los
resultados están sumarizados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Irradiación normal directa medida en Querétaro y energía
interceptada por la cavidad de cuerpo negro calculada para el 21 de junio.
Hora solar Gb (W/m2) erQint (W)
6:00 532.20 1975.967:00 669.91 2487.278:00 852.77 3166.179:00 908.77 3374.09
10:00 959.32 3561.7911:00 969.25 3598.6412:00 972.69 3611.4413:00 984.02 3653.4914:00 971.37 3606.5215:00 941.44 3495.3816:00 876.13 3252.9117:00 740.31 2748.6418:00 527.05 1956.85
De los datos de erQint , la temperatura externa de la cámara de cocción es computada
con la siguiente ecuación, considerando εcc = 0.9, Acc = 1.89 m2, ho = 4.426 W/m2K, Ts
= 293.16 K y Tamb = 298.16 K:
( )amb
totalcco
spccccccerfc T
RAh
TTAQT +
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−σε−=
1
44,int (2.16.)
donde:
ocsibrcitotal RRRRRR ++++= (2.17.)
•
•
•
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
46
De los valores de temperatura externa obtenemos la temperatura interna de la cámara
de cocción, considerando εbb = 0.9, Aorif = 0.013 m2, Fbb,cc = 1, hbb = 5 W/m2K, mt =
25.920 kg (10 tabiques), y Cp = 1067 J/kg·ºC:
( )
fcorifbb
net
fcfc
fc
fcbborifbborif
bb
fcpbber
cb TAh
Q
AFAA
TTQ
T +
−
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
ε
ε−++
εε−
−σ−
=
111
,
44,
int
(2.18.)
donde:
ΔTCmQ pcbneto = (2.19.)
La temperatura en el estado transitorio se calcula con la ecuación:
bt
ambi
ambf eTTTT −=
−
− (2.20.)
donde el exponente b se determina con la ecuación:
VChA
bp
s
ρ= (2.21.)
1533
242
10907.4)22.0)(/1067)(/1922(
)426.4)(/5( −−=⋅
⋅= sx
mKkgJmkgmKmWb
La Tabla 2.2. y la Gráfica 2.1. muestran los valores para la temperatura interna de la
cámara de cocción el 21 de junio.
• •
•
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
47
Tabla 2.2. Temperatura interna de la cámara de cocción calculada para el 21
de junio.
Hora solar T(K) T(ºC) Estacionaria
T(ºC) Transitoria
6:00 542 269 25 7:00 828 555 229 8:00 1108 835 469 9:00 1297 1024 704
10:00 1401 1127 862 11:00 1459 1186 949 12:00 1493 1220 998 13:00 1508 1235 1026 14:00 1507 1234 1039 15:00 1510 1237 1038 16:00 1493 1220 1041 17:00 1447 1174 1027 18:00 1385 1112 988 19:00 1187 914 936 20:00 1074 801 770
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
tran
sito
ria (°
C)
Tiempo solar (h)
Gráfica 2.1. Temperatura interna de la cámara de cocción calculada para el 21 de junio.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
48
2.4. Materiales
En esta sección se describen los diferentes materiales que se requieren para construir
los componentes del horno solar.
2.4.1. Helióstato
Para construir la estructura del helióstato se utiliza ángulo y solera de acero porque es
más económico que utilizar otros materiales tales como aluminio o nylamid. Para los
espejos se utiliza acero inoxidable acabado espejo debido a su alta reflectividad. El
pedestal se construye con tubo de acero de 0.17 m el cual resistirá el peso de la
estructura del helióstato y la fuerza que el viento ejerce sobre los espejos.
Tabla 2.3. Materiales para construir el helióstato.
Componente Descripción Cantidad (m)
Marco Ángulo de acero de 0.019 X 0.003 m 273.25
Espejos
Placa de 0.006 X 0.4 X 0.4 m 9 pzas
Mordaza 9 pzas
Esfera 9 pzas
Ángulo de acero de 0.019 X 0.003 m 34.02
Tubo 0.019 mm calibre 18 130.83
Solera de acero de 0.025 X 0.006 m 62.475
Lámina de aluminio anodizado calibre 26 3 X 3
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
49
Tubo para
seguidor
solar
Tubo c/c negro liso de 0.101 m cal. 40 7.00
Pedestal
Tubo de 0.5 m de diámetro 6.00
Placa de 0.019 X 0.65 X 1 m 1.00
Tubo para eje de 0.055 m 1.10
Chumaceras de 0.055 m 2 pzas
Tabla 2.4. Seguidor solar.
Componente Descripción Cantidad
Motores
Motores para rotación y elevación con
torque de 2 Nm a 4.4 VDC / 2A
2
Motores para espejos esclavos DC, 6 V,
50/1, 24 RPM
4
Fuente de computadora de 250 W a 12
volts C. A.
1
Alimentación
Baterías 115 Ah 3
Paneles fotovoltaicos de 110 W 2
Controlador de 60 A 1
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
50
2.4.2. Concentrador parabólico fuera de eje
El concentrador parabólico está constituido de una estructura de aluminio y una serie
de espejos de aluminio anodizado.
Tabla 2.5. Materiales para construir el concentrador parabólico fuera de eje.
Componente Descripción Cantidad (m)
Estructura
Tubo de aluminio de 0.019 m 8.50
Solera plana de aluminio de 0.025 X
0.006 m
28.00
Espejos Lámina de aluminio anodizado cal. 26 1 X 1
2.4.3. Cámara de cocción
La cámara de cocción está conformada por una cavidad de cuerpo negro hecha con
placas de Hastelloy X; para reducir las pérdidas de calor se emplea material refractario
y una colchoneta aislante.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
51
Tabla 2.6. Materiales para construir la cámara de cocción.
Componente Descripción Cantidad
Cavidad de
cuerpo negro
Placa de Hastelloy X de 0.140 X 0.420 X
0.013 m
2
Placa de Hastelloy X de 0.115 X 0.420 X
0.013 m
2
Placa de Hastelloy X de 0.115 X 0.115 X
0.013 m
2
Material
aislante
Material refractario
Colchoneta aislante
La composición química del Hastelloy X se describe en los Anexos.
2.5. Comentarios finales del capítulo
El horno solar para cocer tabiques de arcilla está constituido por un helióstato que
recibe la radiación solar y la refleja a un concentrador parabólico fuera de eje, éste a su
vez los enfoca a una cámara de cocción que es el lugar donde se localizan los
tabiques.
Se calcula el área del helióstato considerando las pérdidas ópticas y pérdidas de calor
por convección y radiación. También se determinó la temperatura externa e interna de
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
52
la cámara de cocción considerando la radiación normal directa en Querétaro, el calor
específico del tabique y las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación.
Se enlistaron los materiales que se necesitan para construir el helióstato, el
concentrador parabólico fuera de eje y la cámara de cocción.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
53
CAPÍTULO 3
DISEÑO
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
54
CAPÍTULO 3. DISEÑO
3.1. Helióstato
El sistema está constituido de un helióstato que consiste de una estructura de acero
que soporta una serie de espejos acomodados en filas y columnas. El propósito del
helióstato es dirigir la radiación solar siempre al mismo lugar, es decir al concentrador
parabólico, para lograrlo se utiliza un seguidor solar en dos ejes. En el presente reporte
se emplea un sistema rotación-elevación debido a que presenta ventajas con respecto
al seguidor azimut-elevación.
3.1.1. Cimentación
Se realizó una excavación de 2.5 x 3 x 3 m para construir la cimentación, la cual está
constituida por una zapata hecha con varillas de 0.013 m y un dado con estribos
hechos con varillas de 0.009 m; en la parte superior del dado se ensambla una placa
de 0.8 x 0.8 m para soldar el tubo del pedestal. La Figura 3.1. ilustra la cimentación y la
Figura 3.2. es un esquema de la cimentación.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
55
Figura 3.1. Imagen de la cimentación.
Figura 3.2. Esquema de la cimentación.
0.8 m 0.8 m
1.5 m
Zapata
Dado
Placa para soldar el pedestal
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
56
3.1.2. Pedestal
El pedestal es un tubo de acero de 0.17 m de diámetro, su función es soportar el peso
de la armadura, los espejos y los motores del seguidor solar. La Figura 3.3. muestra el
pedestal que soporta el helióstato.
Figura 3.3. a) Esquema del pedestal que soporta el helióstato. b) Imagen del pedestal.
En la parte superior del pedestal está un juego de placas que tienen como propósito
orientar el sistema hacia el sur geográfico (sur verdadero), tal como se muestra en la
Figura 3.4.
Pedestal
Helióstato
Pedestal
a)
b)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
57
Figura 3.4. Juego de placas para orientar el sistema hacia el sur geográfico.
El juego de placas soporta un par de chumaceras donde pasa un eje que a su vez sirve
para generar el movimiento de rotación del helióstato (Figura 3.5.).
Placa móvil Placa fija
Ranura
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
58
Figura 3.5. Chumaceras y ejes para el movimiento de rotación del helióstato.
3.1.3. Estructura
La estructura está hecha de ángulo de acero de 0.003 x 0.019 m y solera de acero de
0.005 x 0.025 m. La estructura soporta una serie de 9 espejos de 1 x 1 m cada uno
acomodados en un marco en 3 filas y 3 columnas que forman un área reflectiva total de
9 m2, entre cada espejo hay una separación de 0.02 m para evitar un posible bloqueo
cuando los espejos cambien de dirección y también para reducir la presión del aire
sobre el marco [Chen et al., 2002], el peso total de la estructura es de 300 kg. La Figura
3.6. muestra la estructura para un helióstato de 3 x 3 m.
Placa
Chumaceras
Eje
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
59
Figura 3.6. Estructura para helióstato de 3 x 3 m.
3.1.4. Espejos
Los espejos están hechos con lámina de aluminio anodizado de calibre 26 con
dimensiones de 1 X 1 m cada uno. Una caracterización confiable de los concentradores
solares es crucial para la predicción de la eficiencia de un sistema solar [Arqueros et
al., 2003]. La reflectancia de los espejos es de 0.9. El espejo se monta en una
estructura como se muestra en la Figura 3.7.
3 m
3 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
60
Figura 3.7. Estructura para los espejos.
Cada espejo tiene tres funciones:
• Pre-enfoque: Consiste en doblar el espejo dándole una forma cóncava. Se
utiliza un tornillo el cual se encuentra al centro del espejo, este se jala para darle
una curvatura a la superficie.
• Pre-ajuste: Consiste en encimar las imágenes de los espejos esclavos sobre el
espejo maestro de manera manual. Se utilizan tres juegos tornillo-resorte que
permiten mover el espejo en dos dimensiones.
• Seguimiento secundario: Consiste en mover los espejos esclavos agrupados
en filas y columnas con motores lineales para corregir las aberraciones en la
mancha solar que se genera en el concentrador parabólico fuera de eje.
Escala en cm
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
61
El pre-enfoque y el pre-ajuste se realiza solamente una vez, mientras que el
seguimiento secundario se realiza de manera continua. En la Figura 3.8. se ilustran los
componentes de los espejos.
Figura 3.8. Componentes de los espejos.
Al realizar el pre-enfoque las esquinas de la superficie reflejante se doblaban hacia
fuera, tal como se muestra en la Figura 3.9.
Figura 3.9. Las esquinas de la superficie reflejante se doblan hacia fuera.
Aro
Espejo Mordaza
Placa
Tornillos con resorte
Las esquinas se doblan
hacia fuera
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
62
Se agrega solera de acero de 0.025 m en cada esquina para eliminar este efecto
(Figura 3.10). En la Figura 3.11. se muestra la superficie reflejante después de la
modificación.
Figura 3.10. Se agrega solera de acero de 0.025 m.
Figura 3.11. Superficie reflejante después de la modificación, las esquinas no se doblan hacia fuera.
Las esquinas no se doblan hacia fuera
Solera de acero de 0.025 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
63
3.1.4.1 Ecuaciones de Fresnel
En los metales se puede determinar la reflectancia mediante la ecuación de Fresnel.
Considerando que el medio 1 es aire (n1 = 1) y el medio 2 es un metal el cual tiene un
índice de refracción con componente compleja (m = n – ik), donde k representa el
índice absortivo [Jaramillo, 1998]; la reflectancia paralela ρװ y perpendicular ρ┴ quedan
expresadas mediante las ecuaciones (3.1.) y (3.2.),
( )( ) ⊥
+
+
+−= ρ
θθθθρ
2211
2211
tantan
q
q
senpsenp
ll (3.1.)
( )( ) 22
1
221
coscos
qpqp
+++−
=⊥ θθρ (3.2.)
donde
( ) ( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−++−−= 1
2222221
2222 421 θθ senknknsenknp (3.3.)
( ) ( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−−+−−= 1
2222221
2222 421 θθ senknknsenknq (3.4.)
θ1 = Ángulo de incidencia de la radiación solar
n = Parte real del índice de refracción del metal
k = Parte imaginaria del índice de refracción del metal (índice absortivo)
La reflectancia puede ser calculada como un promedio,
( )llρρρ += ⊥21 (3.5.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
64
3.1.5. Ensamble
Se utilizó una retroexcavadora para montar la estructura sobre el pedestal (Figura
3.12.), se emplearon dos tornillos de alta resistencia de 0.006 x 0.076 m para unir la
estructura del helióstato con el eje que pasa a través de las chumaceras. El montaje de
la estructura del helióstato en el pedestal se muestra en la Figura 3.13.
Figura 3.12. Montaje de la estructura con la retroexcavadora.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
65
Figura 3.13. Montaje de la estructura en el pedestal.
3.1.6. Seguidor solar
El seguidor solar de dos ejes más comúnmente empleado es el azimut-elevación, sin
embargo estos helióstatos generan aberraciones de astigmatismo. El astigmatismo se
produce debido a que la distancia focal para los rayos tangenciales es más corta que
para los rayos sagitales [Zaibel et al., 1995], tal como se muestra en la Figura 3.14. Las
aberraciones incrementan el tamaño de la mancha solar reduciendo el flujo de calor en
el receptor [Chen et al., 2004].
Para realizar una corrección de la aberración, cada espejo esclavo debe tener
movimiento con dos grados de libertad sobre el pivote que los soporta, lo cual
incrementa el costo debido a que se requieren dos motores por espejo, es decir, se
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
66
requieren 2 x (M x N), motores, lo cual significa que el sistema de 3 filas y 3 columnas
que se propone en el presente proyecto requiere de 18 motores.
Figura 3.14. Esquema de la aberración de astigmatismo.
En este proyecto se emplea un sistema rotación-elevación, los espejos están
acomodados en filas y columnas. El espejo maestro está fijo al centro. Los espejos
esclavos tienen dos grados de libertad y están alrededor del espejo maestro. Cada
espejo esclavo se mueve de manera angular sobre su punto pivote para reflejar los
rayos del Sol al mismo punto fijo [Aliman et al., 2007]. Este sistema requiere de M + N
motores, es decir, únicamente 6 motores, lo que representa un ahorro económico
bastante importante.
Rayos tangenciales
Sistema óptico
Foco sagital
Objeto
Rayos sagitales
Foco tangencial
Eje óptico
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
67
3.1.6.1 Seguidor rotación-elevación
El seguidor solar que se emplea en la presente tesis tiene dos grados de libertad:
rotación y elevación. El movimiento de rotación se realiza con un motor a pasos el cual
transmite movimiento a un eje de 0.055 m soportado en dos chumaceras, éste a su vez
transmite movimiento a un tubo de 0.101 m, tal como se muestra en la Figura 3.15.
Figura 3.15. Movimiento de rotación del helióstato.
El movimiento de elevación se realiza empleando un motor a pasos ensamblado en
uno de los extremos del tubo de 0.101 m, tal como se muestra en la Figura 3.16.
Motor a pasos
Eje de 0.055 m
Chumaceras
Tubo de 0.101 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
68
Figura 3.16. Movimiento de elevación del helióstato.
Los espejos están acomodados en filas y columnas, el espejo que está al centro de
este arreglo se le llama espejo maestro porque siempre permanece fijo al centro del
marco; a los espejos restantes se les llama esclavos debido a que tienen dos grados de
libertad de movimiento sobre el pivote que los soporta. El movimiento de los espejos
esclavos permite diseñar un helióstato que no requiere de una geometría fija [Chen et
al., 2004] a diferencia de los helióstatos con seguidor azimut-elevación, los cuales
tienen una geometría fija aproximada a una superficie esférica para la corrección de las
aberraciones.
Motor a pasos
Rodamiento 0.055 m
Tubo de 0.101 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
69
El movimiento del helióstato está dividido en dos partes: el movimiento global del marco
con el espejo maestro el cual se denomina seguimiento primario y el movimiento local
de los espejos esclavos llamado seguimiento secundario.
3.1.6.2 Programación del sistema para el seguidor solar
El sistema trabaja con motores controlados desde una PC, que es programada para
calcular la hora solar en tiempo real, así como para obtener los ángulos de seguimiento
primario y secundario del helióstato. El algoritmo para el seguidor solar se desarrolló en
un lenguaje de programación visual; donde la PC, usando datos codificados por una
interfaz de comunicación serial, se interconecta con el seguidor a través de un sistema
microprocesador. El microcontrolador está programado con una secuencia de datos
para controlar el funcionamiento de los motores a pasos, y son coordinados en función
de las coordenadas recibidas. Con una etapa de potencia se obtienen las corrientes
especificadas a los motores. El sistema completo del seguidor solar permite controlar
los movimientos de seguimiento primario y secundario del helióstato; el sistema
completo es autónomo.
La Figura 3.17. muestra el diagrama de bloques del sistema donde se abordan todas
las etapas de direccionamiento tanto de los espejos esclavo, así como la orientación
del espejo maestro. La Figura 3.18. ilustra los componentes del seguidor solar.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
70
Figura 3.17. Diagrama de bloques del sistema.
Figura 3.18. Componentes del seguidor solar.
Programa PC Interfase RS232 Microcontrolador
Motores a PasosEtapa de Potencia
Chumaceras
Programa PC
Interfaz RS232
Microcontrolador
Etapa de potencia
Motores a pasos
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
71
El sistema del seguidor solar está desarrollado en un lenguaje de programación visual,
se realizan una serie de cálculos para obtener los ángulos de seguimiento primario y
secundario del helióstato, tal como se indica en el algoritmo de la Figura 3.19.
Figura 3.19. Algoritmo para el desarrollo de programa para el seguidor solar.
Inicio
Parámetros de entrada: Fecha, F
Hora estándar, HE Longitud, LO
Latitud, φ Distancia entre la superficie reflectora y el eje de
elevación, H Distancia entre el espejo maestro y el objetivo, L Distancia entre el espejo maestro y las filas (1, 2,
3, 5, 6 y 7), Hx1, Hx2, Hx3, Hx5, Hx6, Hx7 Distancia entre el espejo maestro y las columnas
(1, 2, 3, 5, 6 y 7), Hy1, Hy2, Hy3, Hy5, Hy6, Hy7
Calcular: Número de día, N
Hora estándar en decimales, HED
Calcular: Variable en función del número de día, B
Ecuación del tiempo, E Diferencia de longitud, DLO
Hora solar en decimales, HSD Hora solar, HS
Calcular ángulos solares: Ángulo de declinación, δ
Ángulo horario, ω
Calcular seguimiento primario: Ángulo beta, β
Ángulo de rotación, ρ Ángulo de elevación, θ
Ángulo de desviación, δθ Ángulo de elevación corregido, θ'
Calcular seguimiento secundario: Movimiento angular de las filas (1, 2, 3, 5, 6 y 7),
σ’1, σ’2, σ’3, σ’5, σ’6, σ’7 Movimiento angular de las columnas (1, 2, 3, 5, 6 y
7), γ’1, γ’2, γ’3, γ’5, γ’6, γ’7
Fin
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
72
Se toma del sistema operativo de la computadora la fecha (F) y la hora estándar (HE),
es importante desactivar el horario de verano o de lo contrario generará un error en el
cálculo de la hora solar (HS).
Otro aspecto a considerar es la longitud (LO) y latitud (φ) del lugar donde se localiza el
seguidor solar, en este caso el sistema está desarrollado para la ciudad de Querétaro
con longitud oeste de 100º 22’ 17” y latitud norte de 20º 34’ 32”, sin embargo el sistema
se puede adaptar para cualquier parte del mundo.
Con la Tabla 3.1. se calcula el número de día (N). La hora estándar en decimales
(HED), se calcula con la siguiente ecuación:
6060
SegundosMinutosHED
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+= Horas (3.6.)
Tabla 3.1. Cálculo del número de día (N).
Mes Día del año Enero Día + 0
Febrero Día + 31 Marzo Día + 59 Abril Día + 90 Mayo Día + 120 Junio Día + 151 Julio Día + 181
Agosto Día + 212 Septiembre Día + 243
Octubre Día + 273 Noviembre Día + 304 Diciembre Día + 334
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
73
La hora solar (HSD) es la que se utiliza para calcular los ángulos solares, no coincide
con la hora estándar local. Duffie and Beckman [1991], mencionan que es necesario
convertir la hora estándar aplicando dos correcciones. Primero, existe una corrección
constante por la diferencia de longitud (DLO) entre el meridiano donde se ubica el
observador (Lloc) y el meridiano en el cual esta basado la hora local (Lst):
60)locLst4(L
DLO−
= (3.7.)
La segunda corrección es la ecuación del tiempo (E), la cual considera las
perturbaciones de la rotación de la Tierra:
)204089.02cos014615.0032077.0cos001868.0000075.0(2.229E BsenBBsenB −−−+=
(3.8.)
donde:
365360)1(B −= N (3.9.)
La hora solar en decimales (HSD) se calcula con la siguiente ecuación:
EDLOHED ++=HSD (3.10.)
El ángulo de declinación de la Tierra (δ) define la posición angular del Sol al mediodía
solar, es decir, en el momento en que el Sol está más alto en el firmamento con
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
74
respecto al plano del ecuador. Este parámetro depende del día del año, puede
calcularse con la expresión:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +=365
284.36045.23 Nsenδ (3.11.)
El ángulo horario (ω) es igual a cero al medio día solar y adquiere un valor de 15º de
longitud por cada hora, siendo negativo en las mañanas y positivo por las tardes, se
calcula con la ecuación:
( )12HSD15ω −= (3.12.)
3.1.6.3 Seguimiento primario
El propósito del seguimiento primario es que la mancha solar proyectada por el espejo
maestro siempre llegue al mismo objetivo estacionario (“target”). Entonces, la mancha
solar del espejo maestro sirve como referencia para el seguimiento secundario donde
todas las manchas de los espejos esclavos serán proyectadas sobre esta [Aliman et al.,
2007]. En la Figura 3.20.a) se ilustra un plano de reflexión formado por tres vectores y
el helióstato; OS es el vector que apunta hacia el Sol, ON es el vector normal a la
superficie y OT es el vector que apunta hacia el objetivo fijo. Cuando el Sol se mueve
(aparentemente) el plano debe rotar, tal como se ilustra en la Figura 3.20.b), generando
dos nuevos vectores, OS’ y ON’; el vector OT se mantiene igual.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
75
Figura 3.20. Rotación del helióstato para conservar el Sol, la normal de la superficie y el objetivo en el
mismo plano [Chen et al., 2001].
El seguimiento primario se divide en dos componentes: el movimiento de rotación y el
de elevación (Figura 3.21.).
• Ángulo de rotación (ρ). El helióstato rota alrededor del eje TT', el plano de
reflexión está en una posición horizontal en la mañanas y en una posición
vertical al medio día.
• Ángulo de elevación (θ). La rotación del helióstato es alrededor del eje FF’, el
cual es perpendicular al plano de reflexión, este movimiento ajusta la normal de
la superficie de tal forma que bisecte el ángulo entre OS y OT.
Sol
Normal
Objetivo
Helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
76
Figura 3.21. Seguidor rotación-elevación [Chen et al., 2001].
Los ángulos ρ y θ se obtienen de dos sistemas de coordenadas, uno que está basado
en el centro de la Tierra y otro en el helióstato. En la Figura 3.22.a) del centro de la
Tierra C se traza un eje CM (meridiano) que intercepta el plano ecuatorial y el
meridiano donde se encuentra el horno solar Q. El eje CE (este), es perpendicular a
CM y también se encuentra en el plano ecuatorial. El tercer eje CP (polar) es ortogonal
con respecto a CM y CP.
El vector CS apunta hacia el Sol y puede ser descrito en función de sus cosenos
directores Sm, Se y Sp, estos a su vez se pueden escribir en forma matricial en términos
del ángulo de declinación δ y el ángulo horario ω:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
=δ
ωδωδ
sensen
SSS
S
p
e
m
coscoscos
(3.13.)
Pivote
Objetivo
Helióstato
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
77
En la Figura 3.22.b) se representa el sistema de coordenadas basado en el helióstato.
El origen del sistema O está definido en el centro del espejo maestro. El eje OR está en
dirección del zenit (el eje OR y el CM coinciden cuando Q está en el ecuador), el eje
OR es paralelo a las columnas de espejo del helióstato y el eje OU es paralelo a las
filas siempre y cuando la normal de la superficie del helióstato coincida con el eje de
rotación TT’ señalado en la Figura 3.21. El eje OR es ortogonal a OT y OU. El “target”
está ubicado al sur del helióstato.
El vector OS apunta hacia el Sol, sus cosenos directores Hr, Hu y Ht pueden escribirse
de forma matricial en términos de los ángulos β y ρ:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
βρβρβ
sensen
HHH
H
t
u
r
coscoscos
(3.14.)
β es el ángulo formado entre el vector OS y su proyección sobre el plano formado con
los ejes OR y OU. De la Figura 3.22.b) se observa que θ es:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −= βπθ
221 (3.15.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
78
Figura 3.22. a) Sistema de coordenadas basado en el centro de la Tierra. b) Sistema de coordenadas
basado en el helióstato [Chen et al., 2001].
H y S se relacionan mediante tres transformaciones de rotación. La primera es una
rotación alrededor del eje CE igual a la latitud del lugar φ donde se encuentra el horno
solar Q.
Figura 3.23. Rotación de transformación del ángulo φ alrededor del eje CE.
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−=
φφ
φφφ
cos0010
0cos
sen
sen (3.16.)
CE
R
P T
Qφ M
Sol
Plano ecuatorial
Meridiano del medio día solar
ObjetivoHelióstato
Sol
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
79
Cuando se tiene más de un helióstato enfocando los rayos solares a un mismo objetivo,
se tienen que considerar el ángulo de cara ϕ y el ángulo del objetivo λ. El ángulo de
cara (ϕ) es el que se genera cuando el eje OT rota alrededor del Zenit (eje OR). Es
igual a cero cuando el helióstato está al norte del objetivo y de 90º cuando el helióstato
se localiza al este del objetivo.
Figura 3.24. Rotación de transformación del ángulo ϕ alrededor del eje OR.
La matriz de transformación del ángulo ϕ se expresa de la siguiente manera:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−=
φϕϕϕϕ
cos0cos0
001
sensen (3.17.)
El ángulo del objetivo λ se genera cuando el eje OT rota alrededor del eje OU. Es igual
a cero cuando el punto central del helióstato (O) está al mismo nivel que el objetivo y
tiene un valor por ejemplo de 15º cuando el helióstato está abajo del objetivo.
Figura 3.25. Rotación de transformación del ángulo λ alrededor del eje OU.
ORU’
T
ϕ
U
T’
OU
T’
R R’
λ T
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
80
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−=
λλ
λλλ
cos0010
0cos
sen
sen (3.18.)
El vector H se obtiene del producto de λ, ϕ, φ y S de la siguiente manera:
H = λϕφS (3.19)
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
δωδ
ωδ
φφ
φφ
ϕϕϕϕ
λλ
λλ
βρβρβ
sensen
sen
sen
sensen
sen
sen
sensen cos
coscos
cos0010
0cos
cos0cos0
001
cos0010
0coscos
coscos (3.20.)
Multiplicando los dos primeros términos del lado derecho de la ecuación (3.20.):
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−−
−−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
− ϕλϕλλϕϕ
ϕλϕλλ
ϕϕϕϕ
λλ
λλ
coscoscoscos0
coscos
cos0cos0
001
cos0010
0cos
sensensen
sensensen
sensen
sen
sen (3.21.)
El resultado de la ecuación (3.21.) se multiplica por el tercer término de la ecuación
(3.20.):
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−+−−
−−+=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−−
−−
φϕλφλϕλφϕλφλφϕϕφϕ
φϕλφλϕλφϕλφλ
φφ
φφ
ϕλϕλλϕϕ
ϕλϕλλ
coscoscoscoscoscoscoscoscos
coscoscoscoscoscos
cos0010
0cos
coscoscoscos0
coscos
sensensensensensensensen
sensensensensensen
sen
sen
sensensen
sensensen
(3.22.)
El resultado de la ecuación (3.22.) se multiplica por el cuarto término de la ecuación
(3.20.):
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
81
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
+−++−−−
−+++=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−+−−
−−+
)coscoscos(coscos)coscoscos(coscoscoscoscoscoscos
)coscos(coscos)coscos(coscoscos
coscoscos
coscoscoscoscoscoscoscoscos
coscoscoscoscoscos
φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδφϕδϕωδφϕωδ
φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδ
δωδ
ωδ
φϕλφλϕλφϕλφλφϕϕφϕ
φϕλφλϕλφϕλφλ
sensensensensensensensensensensensen
sensensensensensensensen
sensen
sensensensensensensensen
sensensensensensen
(3.23.)
De la solución de la matriz se obtienen tres ecuaciones:
)coscos(coscos)coscos(coscoscoscoscos φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδρβ sensensensensensensensen −+++=(3.24.)
φϕδϕωδφϕωδρβ coscoscoscoscoscos sensensensensensen −−= (3.25.)
)coscoscos(coscos)coscoscos(coscos φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδβ +−++−= sensensensensensensensen(3.26.)
De la ecuación (3.26.) se obtiene β:
{ })coscoscos(coscos)coscoscos(coscos1 φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδβ +−++−= − sensensensensensensensen(3.27.)
De la ecuación (3.25.) se obtiene ρ:
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧ −−
= −
βφϕδϕωδφϕωδρ
coscoscoscoscoscos1 sensensensensensen (3.28.)
Sustituyendo la ecuación (3.27.) en la ecuación (3.15.), se tiene θ:
{ })coscoscos(coscos)coscoscos(coscos21
41 φϕλφλδϕλωδφϕλφλωδπθ +−++−−= − sensensensensensensensen
(3.29.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
82
Sin embargo, la superficie reflectora del espejo y el eje de elevación están separados
debido al espesor de los espejos y la estructura que los soporta. Esto genera un error
formándose una mancha separada una distancia Hzsenθ con respecto al centro del
objetivo, donde Hz es la distancia que existe entre la superficie reflectora y el eje de
elevación. Por lo tanto, es necesario realizar una corrección del ángulo de elevación
con la siguiente ecuación:
δθθθ −=' (3.30.)
Donde δθ se obtiene de la Figura 3.26.:
θ δθ
θ'x
2δθHzsenθHz
Hzcosθ
L
T
Figura 3.26. Obtención de δθ. Hz es la distancia entre la superficie reflectora y el eje de elevación. L
es la distancia entre el eje de elevación y el objetivo.
δθδθθδθθ
θδθθθδθθ
2)(
''
=−−+=
−+=+=+
xxx
x
(3.31.)
De la Figura 3.26. se obtiene δθ,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
= −
θθ
δθcos
tan21 1
z
z
HLsenH (3.32.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
83
3.1.6.4 Seguimiento secundario
Los movimientos de corrección del seguimiento secundario en el helióstato eliminan el
efecto de la aberración de primer orden [Chen et al., 2006]. Los espejos esclavos están
agrupados en filas y columnas, los espejos en la misma fila o columna serán movidos
por el mismo motor, el cual a su vez transmite movimiento a un gato de tijera y una
barra, tal como se muestra en la Figura 3.27. La Figura 3.28. representa un helióstato
de 5 filas y 5 columnas, el espejo maestro está en la fila 3 y los espejos esclavos en 1,
2, 4 y 5. Los puntos P1, P2, P4 y P5 son los pivotes a través de los cuales se mueven los
espejos esclavos.
Los espejos esclavos acomodados en las filas tienen que rotar sobre los pivotes un
ángulo σ para garantizar que los rayos del Sol lleguen al mismo sitio. De la Figura 3.29.
se obtiene la ecuación (3.33.) para calcular σ:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
= −
LsenHH
θθσ costan
21 1 (3.33.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
84
Figura 3.27. Sistema de seguimiento secundario. Un solo gato de tijera y una barra transmiten
movimiento a toda una fila o columna de espejos.
Figura 3.28. Helióstato de 5 filas y 5 columnas.
Gato de tijera
Barra
Luz solar
Normal
Dispositivo desplazador
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
85
θ σ
θ−σ2σ
2σ
Hsenθ+L
Hcosθ H θ
L T
Figura 3.29. Obtención de σ. H es la distancia entre el centro de la fila donde se encuentra el espejo
maestro y el centro de la fila donde se localiza el espejo esclavo que se quiere calcular. L es la
distancia que existe entre el centro del espejo maestro y el objetivo.
Donde L es la distancia que existe entre el centro del espejo maestro y el objetivo. H es
la distancia entre el centro de la fila donde se encuentra el espejo maestro y el centro
de la fila donde se localiza el espejo esclavo que se quiere calcular (es positivo para las
filas que están arriba del espejo maestro y negativo para las filas que están abajo).
Los espejos esclavos acomodados en las columnas tienen que rotar sobre un ángulo γ
para que los rayos del Sol lleguen al objetivo. De la Figura 3.30. se obtiene la ecuación
(3.34.) para calcular γ:
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
86
γ
2γLcosθ
H
T
Figura 3.30. Obtención de γ. H es la distancia entre el centro de la columna donde se encuentra el
espejo maestro y el centro de la columna donde se localiza el espejo esclavo que se quiere
calcular.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
θγ
costan
21 1
LH (3.34.)
Donde H es la distancia entre el centro de la columna donde se encuentra el espejo
maestro y el centro de la columna donde se localiza el espejo esclavo que se quiere
calcular.
Hay que hacer una corrección a los ángulos σ y γ, debido a que la superficie reflectora
del espejo y el eje de elevación están separados una distancia igual al espesor de los
espejos y la estructura que los soporta.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
87
Las ecuaciones quedan expresadas de la siguiente manera:
( ) ( )( ) ( ) ( )⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−++
+= −
δθθδθθδθδθθδθ
σcos2cos
cos2costan
21' 1
zx
x
HLsenHH
(3.35.)
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
= −
z
y
HLH
δθθγ
costan
21' 1 (3.36.)
Donde Hx es la distancia entre el centro de la fila maestra y el centro de la fila donde se
encuentra el espejo esclavo a calcular (es positivo si la fila se encuentra arriba de la fila
maestra y es negativa si la fila se encuentra abajo), Hy es la distancia entre el centro de
la columna maestra y el centro de la columna donde se encuentra el espejo esclavo a
calcular (es positivo si la columna se encuentra a la izquierda de la columna maestra y
es negativa si la columna se encuentra a la derecha).
Los cálculos se realizan mediante un programa de computación, el cual despliega la
pantalla mostrada en la Figura 3.31.
Figura 3.31. Cálculo de los ángulos con el programa de computación.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
88
El seguidor solar trabajará con una tarjeta como la que se muestra en la Figura 3.32.
Figura 3.32. Tarjeta del seguidor solar.
3.1.6.5 Cálculo de motores para el seguidor solar
El cálculo de los motores para el seguimiento primario se realiza de acuerdo a la Figura
3.33., donde la distancia del helióstato a la chumacera A (l1) es 0.615 m, la distancia
del helióstato a la chumacera B (l2) es 0.8 m, el peso del helióstato (N) es 10791 N
(1100 kgf), el coeficiente de fricción de las chumaceras (μ) es 0.0025 y el diámetro del
eje que es soportado por las chumaceras (r) es 0.0275 m.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
89
Figura 3.33. Esquema del helióstato soportado por las chumaceras.
( )∑ =−=+ 0)415.1)(10791(8.0;0 mNmFM AB
NFA 581.19086=
↑ ∑ =−+−=+ 0;0 NFFF ABy
NNFB 10791581.19086 −=
NFB 581.8295=
NmNmFrT 883.1)163.27382)(0275.0)(0025.0( === μ
Se emplearán motores a pasos con torque superior a 2 Nm.
l2 l1
FB FA N
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
90
3.1.6.6 Cálculo del sistema de alimentación
El sistema de alimentación está calculado para soportar los siguientes equipos:
• 2 motores de 8.8 W a 4.4 volts C. D. (seguimiento primario)
• 12 motores de 15 W a 12 volts C. D. (seguimiento secundario)
• 1 fuente de computadora de 250 W a 12 volts C. A.
Potencia total = 447.6 W
Considerando que P = IV, se tiene,
AI 424.48.8 == ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
AI 15121215 == ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
AI 8.2012250 == ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
La corriente total del sistema es 39.8 A, considerando un 20% de excedente se
obtienen 47.76 A.
El sistema estará trabajando durante 12 horas, por lo tanto se tienen 573.12 Ah
La Figura 3.34. ilustra los componentes del sistema de alimentación.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
91
Figura 3.34. Componentes del seguidor solar.
Los páneles fotovoltaicos estarán montados en una estructura que consiste de un
pedestal de 0.17 m de diámetro y ángulo de acero de 0.003 x 0.019 m. Se realizó una
excavación de 0.7 x 0.8 x 0.8 m para construir la cimentación, está constituida por una
zapata hecha con varillas de 0.009 m separadas 0.20 m y un dado con cuatro varillas
de 0.009 m y cuatro varillas de 0.013 m. La Figura 3.35. muestra la cimentación y la
Figura 3.36. la estructura que soportará los páneles fotovoltaicos.
Panel fotovoltaico de 110 W
Controlador de 60 A
Batería 115 Ah
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
92
Figura 3.35. Cimentación de la estructura que soportará los páneles fotovoltaicos.
Figura 3.36. Estructura que soportará los páneles fotovoltaicos.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
93
3.1.7. Contrapeso
Se diseñó el contrapeso para el helióstato el cual tiene como propósito reducir el torque
del sistema, consiste de un tubo de acero de 0.05 m de diámetro y 1 m respecto a la
chumacera más alejada del helióstato, en el extremo opuesto está un recipiente con
agua de 231.93 kg como se muestra en la Figura 3.37.
Figura 3.37. Contrapeso del helióstato.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
94
3.1.8. Tamaño de la mancha solar
El área de enfoque del helióstato está limitada por la imagen del disco solar, debido a
que el Sol es un objeto finito con un diámetro angular de 0.53º (0.0093 rad) cuando es
visto desde la Tierra, tal como se muestra en la Figura 3.38.
Figura 3.38. Diámetro angular del Sol cuando es visto desde la Tierra [Goswami et al., 2001].
El diámetro mínimo de una mancha solar perfectamente enfocada es aproximadamente
la longitud focal multiplicada por 0.0093 rad [Winter et al., 1991]. Si un espejo circular
plano refleja la radiación solar a un “target”, la mancha solar en el “target” tendrá el
diámetro del espejo más el diámetro de la imagen del disco solar [Chen et al., 2001].
Por ejemplo un espejo de 1 m de diámetro refleja una mancha de 1.17 m en un “target”
que está a 20 m con respecto al espejo.
Longitud focal x Diámetro angular del Sol = Imagen del disco solar
(20.00 m)(0.0093) = 0.17 m
Sol
Tierra
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
95
Diámetro del espejo + Imagen del disco solar = Diámetro de la mancha solar
1 m + 0.17 m = 1.17 m
Se obtiene un diámetro de la mancha solar de 1.17 m siempre y cuando los rayos del
Sol incidan de manera paralela a la normal de la superficie.
3.1.8.1 Tamaño de la mancha generada por las filas del helióstato
Cuando el helióstato tiene un ángulo de elevación θ como se muestra en la Figura
3.28., el tamaño de la mancha solar generado por las diferentes filas de espejos se
calcula con las siguientes ecuaciones.
Nota: Cada espejo se divide a la mitad (mitad superior e inferior), debido a que el
diámetro angular del Sol genera que la mitad superior proyecte un tamaño de mancha
ligeramente mayor que la mitad inferior.
Fila maestra (mitad superior):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
+−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0290(2cos
267.0)'2
'cos(
290
902
δθδθ
θθ
δθ
δθθ
sen
sensendHL
sen
send
WZ
FMS (3.37.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
96
Fila maestra (mitad inferior):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
−−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0290(2cos
267.0)'2
'cos(
290
902
δθδθ
θθ
δθ
δθθ
sen
sensendHL
sen
send
WZ
FMI (3.38.)
Filas que están arriba de la fila maestra (mitad superior):
( )
( )( )( )
( ) ( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
++−+
−++−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
−−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)''2
''cos(
'290
'902
σδθσδθ
σθθθ
σδθ
σδθθ
sen
sensendsenHHL
sen
send
Wxz
FAS (3.39)
Filas que están arriba de la fila maestra (mitad inferior):
( )
( )( )( )
( ) ( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−+−+
−−+−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
−−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)''2
''cos(
'290
'902
σδθσδθ
σθθθ
σδθ
σδθθ
sen
sensendsenHHL
sen
send
Wxz
FAI (3.40)
Filas que están abajo de la fila maestra (mitad superior):
( )
( )( )( )
( ) ( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−+++
−++−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
−−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)''2
''cos(
'290
'902
σδθσδθ
σθθθ
σδθ
σδθθ
sen
sensendsenHHL
sen
send
Wxz
FBS (3.41)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
97
Filas que están abajo de la fila maestra (mitad inferior):
( )
( )( )( )
( ) ( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
++++
−−+−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
−−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)''2
''cos(
'290
'902
σδθσδθ
σθθθ
σδθ
σδθθ
sen
sensendsenHHL
sen
send
Wxz
FBI (3.42)
donde:
d = Apertura del espejo
L = Distancia entre el eje de elevación y el objetivo
Hx = Distancia entre el centro de la fila donde se encuentra el espejo maestro y el
centro de la fila donde se localiza el espejo esclavo
Hz = Distancia que existe entre la superficie reflectora y el eje de elevación
θ = Ángulo de elevación
θ’ = Ángulo de elevación corregido
δθ = Ángulo de desviación
σ’ = Movimiento angular de las filas
Para calcular la dimensión máxima del concentrador parabólico fuera de eje, se debe
considerar el día y la hora con el menor ángulo de incidencia. A continuación se
determina el tamaño de la mancha generada por cada fila de espejos para el día 21 de
diciembre a las 12:00 horas cuando θ’ = 17.20º en la ciudad de Querétaro.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
98
Tabla 3.2. Tamaño de mancha generada por las filas.
Wsup (m) Winf (m) Wtotal (m) Fila 1 0.569 0.568 1.136Fila 2 0.568 0.567 1.134Fila 3 0.568 0.567 1.135Fila 4 0.570 0.568 1.138Fila 5 0.572 0.571 1.143Fila 6 0.577 0.575 1.152Fila 7 0.583 0.581 1.164
El tamaño máximo de mancha generada por las filas es 1.164 m. A continuación se
realizará el mismo procedimiento para calcular la mancha generada por las columnas.
3.1.8.2 Tamaño de la mancha generada por las columnas del helióstato
El tamaño de la mancha solar generado por las diferentes columnas de espejos se
calcula con las siguientes ecuaciones.
Nota: Cada espejo se divide a la mitad (mitad izquierda y derecha), debido a que el
diámetro angular del Sol genera que cada mitad proyecte un tamaño de mancha
diferente.
Columna maestra (mitad izquierda y derecha):
( ) 267.0tan'cos2 ZCMICMS HLdWW −+== θ (3.43.)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
99
Columnas a la izquierda de la columna maestra (mitad izquierda):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+−
−−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)'2
'cos(
290
'902
γγ
γθ
γ
γ
sen
sensendHL
sen
send
Wz
CAI (3.44.)
Columnas a la izquierda de la columna maestra (mitad derecha):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
+−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)'2
'cos(
290
'902
γγ
γθ
γ
γ
sen
sensendHL
sen
send
Wz
CAD (3.45.)
Columnas a la derecha de la columna maestra (mitad izquierda):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−+
−−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)'2
'cos(
290
'902
γγ
γθ
γ
γ
sen
sensendHL
sen
send
Wz
CBI (3.46.)
Columnas a la derecha de la columna maestra (mitad derecha):
( )
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
++
+−+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=)267.0'290('2cos
267.0)'2
'cos(
290
'902
γγ
γθ
γ
γ
sen
sensendHL
sen
send
Wz
CBD (3.47.)
donde:
d = Apertura del espejo
L = Distancia que existe entre el centro del espejo maestro y el objetivo
Hz = Distancia que existe entre la superficie reflectora y el eje de elevación
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
100
θ’ = Ángulo de elevación corregido
γ’ = Movimiento angular de las columnas
Para calcular la dimensión máxima del concentrador parabólico fuera de eje, se debe
considerar el día y la hora en que se genera el tamaño de mancha mayor para L = 20m,
es decir, el día 21 de diciembre a las 12:00 horas cuando θ’ = 17.20º en la ciudad de
Querétaro.
Tabla 3.3. Tamaño de mancha generada por las columnas.
Wizq (m) Wder (m) Wtotal (m) Columna 1 0.594 0.595 1.189 Columna 2 0.591 0.591 1.181 Columna 3 0.588 0.588 1.177 Columna 4 0.588 0.588 1.175 Columna 5 0.588 0.588 1.177 Columna 6 0.591 0.591 1.181 Columna 7 0.595 0.594 1.189
El tamaño máximo de mancha generada por las columnas es 1.189 m. Idealmente, el
tamaño de la apertura en los sistemas de concentración solar debe ser
aproximadamente el tamaño de la mancha solar en el plano focal, más un margen a
considerar por los errores de seguimiento típicos de los módulos reflectores [Brogren et
al., 2004]. Considerando que las filas generan una mancha máxima de 1.164 m y las
columnas de 1.189 m, el tamaño del concentrador parabólico fuera de eje tendrá
un diámetro de apertura de 1.58 m.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
101
3.1.9. Alineación del sistema óptico
Se alinearon los nueve espejos del helióstato (un espejo maestro y ocho esclavos), el
procedimiento consistió en tapar todos los espejos excepto el espejo maestro, se
destapó un espejo esclavo y se hizo la convergencia de las manchas solares reflejadas
por ambos espejos (espejo esclavo con el maestro), se tapó el espejo esclavo ajustado
y se procedió a destapar un nuevo espejo para realizar la convergencia de manchas.
Este procedimiento se repitió con el resto de lo espejos esclavos hasta lograr
convergencia en una misma área de los nueve espejos.
Figura 3.39. Alineación del sistema óptico.
Manchas generadas
por los espejos
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
102
3.1.10. Simulación óptica
Se realiza la simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico +
cámara de cocción para los equinoccios y los solsticios. Ver figuras de la 3.40. a la
3.43. El helióstato y el concentrador parabólico fuera de eje están separados 30 m. En
cada fila de espejos del helióstato se utiliza un tornillo para darle forma cóncava a los
espejos.
Figura 3.40. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico + cámara de cocción
(22.mar a las 12:00 horas).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
103
Figura 3.41. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico + cámara de cocción
(21.jun a las 12:00 horas).
Figura 3.42. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico + cámara de cocción
(21.sep a las 12:00 horas).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
104
Figura 3.43. Simulación óptica del sistema helióstato + concentrador parabólico + cámara de cocción
(21.dic a las 12:00 horas).
En las figuras de la 3.44 a la 3.47 se muestra más a detalle el sistema concentrador
parabólico + cámara de cocción, el foco de la parábola es f = 1 m. Se genera un
tamaño de mancha en la cámara de cocción de 0.13 m el 22 de marzo y 21 de
septiembre, de 0.11 m el 21 de junio y de 0.22 m el 21 de diciembre.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
105
Figura 3.44. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de cocción (22.mar a
las 12:00 horas).
Figura 3.45. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de cocción (21.jun a las
12:00 horas).
Cámara de cocción
Concentrador parabólico fuera de eje
Tamaño de mancha φ = 0.1271 m
Tamaño de mancha φ = 0.1070 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
106
Figura 3.46. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de cocción (21.sep a las
12:00 horas).
Figura 3.47. Simulación óptica del sistema concentrador parabólico + cámara de cocción (21.dic a las
12:00 horas).
Tamaño de mancha φ = 0.1270 m
Tamaño de mancha φ = 0.2206 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
107
3.2. Concentrador parabólico fuera de eje
El concentrador parabólico fuera de eje recibe los rayos del Sol y los envía a la cámara
de cocción. En el horno solar los rayos solares que provienen del helióstato no son
paralelos al eje del concentrador; la radiación fuera de eje es luz solar o en general,
cualquier radiación que proviene de cualquier dirección no paralela al eje del
concentrador solar parabólico [Jefferies, 1989]. En el presente reporte se utiliza un
reflector Scheffler el cual refleja la luz solar evitando que la cámara de cocción proyecte
sombra sobre la superficie del reflector, tal como sucedería con un concentrador axial.
3.2.1. Principio de funcionamiento
El concentrador parabólico funciona como un espejo parabólico fuera de eje, está
diseñado para reflejar la luz hacia un objetivo situado a cierta distancia del reflector de
manera que no proyecte sombra en el espejo, la Figura 3.48. muestra un espejo
parabólico fuera de eje.
Figura 3.48. Espejo parabólico fuera de eje.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
108
Si en lugar de utilizar un concentrador parabólico fuera de eje se empleara un
concentrador parabólico axial, la cámara de cocción estaría en el foco F de la Figura
3.49., lo cual proyectaría una sombra en el concentrador reduciendo la eficiencia del
sistema.
Figura 3.49. El eje de simetría es paralelo con los rayos incidentes, la cámara de cocción se
localizaría en el foco F generando una sombra en el concentrador parabólico.
3.2.2. Cimentación
Se realizó una excavación de 1.2 x 1.5 x 3 m para construir la cimentación para el
concentrador parabólico, está constituida por una zapata hecha con varillas de 0.009 m
separadas 0.20 m y dos dados con varillas de 0.013 m. La Figura 3.50. ilustra la
cimentación y la Figura 3.51. el vaciado del concreto en uno de los dados que
soportarán la estructura donde se montará el concentrador parabólico.
Cámara de cocción
Eje de simetría
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
109
Figura 3.50. Cimentación para soportar las estructuras del concentrador parabólico.
Figura 3.51. Vaciado del concreto en uno de los dados del concentrador parabólico.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
110
3.2.3. Estructura y espejos
La estructura está hecha de solera de aluminio de 0.006 x 0.025 m y tubo de aluminio
de 0.019 m de diámetro. La estructura soporta hojas de aluminio anodizado calibre 26
de 0.15 m de ancho con una reflectancia de 0.9, tal como se muestra en la Figura 3.52.
Figura 3.52. Estructura y espejos del concentrador parabólico.
3.2.4. Ensamble
El concentrador parabólico se ensambla con un ángulo de 47º en un par de estructuras
de ángulo de acero de 0.003 x 0.019 m, tal como se muestra en la Figura 3.53. y 3.54.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
111
Figura 3.53. Esquema del concentrador parabólico montado en dos estructuras de ángulo de acero.
47º
Estructuras
Concentrador parabólico
Concentrador parabólico
Vista frontal Vista lateral
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
112
Figura 3.54. Concentrador parabólico montado en dos estructuras de ángulo de acero.
3.3 Cámara de cocción
La cámara de cocción consiste de una caja hecha de material refractario y una
colchoneta de fibras cerámicas refractarias Kaowool, en una de sus caras tiene un
orificio de 0.30 m por donde incide la radiación solar. En su interior tiene unas muescas
que soportan el cuerpo negro hecho de placas de Hastelloy X. La Figura 3.55. muestra
la cámara de cocción. La simulación del proceso de calentamiento de las piezas de
trabajo en hornos de tratamiento de calor es de gran importancia para la predicción y
control de la microestructura final, de las propiedades de las piezas y la reducción en el
consumo de energía [Kang and Rong, 2006].
Concentrador parabólico
Estructuras
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
113
Figura 3.55. Cámara de cocción.
3.3.1 Moldes
Se diseñaron y construyeron los moldes para la cámara de cocción. En la Figura 3.56
se muestran los moldes para la parte superior (para invierno y para el resto de las
estaciones del año), parte inferior (para invierno y para el resto de las estaciones del
año), paredes laterales y puertas.
Cavidad de cuerpo negro
Lámina de acero al carbón
Colchoneta aislante
Cerámico refractorio
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
114
Figura 3.56. Moldes para la cámara de cocción, a) Parte superior (primavera, verano y otoño), b) Parte superior (invierno), c) Parte inferior (primavera verano y otoño), d) Parte inferior (invierno),
e) Paredes laterales, f) Puertas.
a) b)
c) d)
e) f)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
115
3.3.2 Plataforma elevadora
Se diseñó y construyó una plataforma elevadora para la cámara de cocción, consiste
de un gato hidráulico el cual fue adaptado para soportar una placa de acero de 0.013 x
1.0 x 1.0 m. La mesa tiene dos desplazamientos, uno de abajo hacia arriba con una
carrera de 0.18 m y otro hacia adelante y atrás con una carrera 0.05 m. La Figura 3.57
muestra la plataforma elevadora para la cámara de cocción.
Figura 3.57. Plataforma elevadora para la cámara de cocción.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
116
3.4 Comentarios finales del capítulo
El helióstato esta conformado por una estructura de ángulo y solera de acero la cual
esta montada sobre un pedestal. El helióstato tiene un área reflectiva de 9 m2.
Los espejos son de aluminio anodizado, tienen tres funciones para reducir las
aberraciones: pre-enfoque, pre-ajuste y seguimiento secundario.
El sistema rotación-elevación tiene la ventaja de que utiliza menos motores que el
sistema azimut-elevación. Se emplearán 6 motores, 2 para el seguimiento primario y 4
para el seguimiento secundario.
Se realizó un sistema empleando un lenguaje de programación visual el cual sirve para
calcular los ángulos del seguimiento primario y secundario del helióstato.
Se realizaron cálculos para determinar el tamaño de la mancha que generan las filas y
las columnas, con el propósito de obtener las dimensiones del concentrador parabólico
fuera de eje. El sistema de computación también permite determinar el tamaño de
mancha generado por los espejos del helióstato.
El concentrador parabólico está basado en el diseño de los reflectores Scheffler. Con el
arreglo helióstato + concentrador parabólico + cámara de cocción se obtiene un tamaño
máximo de mancha de 0.22 m.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
117
CAPÍTULO 4
CARACTERIZACIÓN
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
118
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN
En este capítulo se describe la caracterización de los tabiques cocidos en los hornos
tradicionales, también se caracterizan los componentes del helióstato, el concentrador
parabólico y la cámara de cocción.
4.1. Equipo empleado
Tabiques de arcilla secos hechos con el método tradicional en La Solana en el estado
de Querétaro fueron cocidos en una mufla eléctrica (Barnstead/Thermolyne, Modelo
No. F48055, 120 V, 15 A, 1800 W, 50/60 Hz, 1 fase) a diferentes temperaturas (800ºC,
850ºC, 900ºC, 950ºC, 1000ºC, 1050ºC o 1100ºC) durante 12 horas, simulando un día
solar en la ciudad de Querétaro.
La medición de la conductividad térmica de los tabiques se realizó por el método de
placa caliente; consiste de 3 placas, una placa de calentamiento la cual tiene dos
resistencias, y dos placas de enfriamiento que cuentan con una manguera por donde
circula agua.
Se utilizó un Calorímetro Diferencial de Barrido para obtener el Cp de diferentes
muestras de arcilla.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
119
4.2. Pruebas a los tabiques
4.2.1. Energía para cocer un tabique
Para calcular la energía para cocer un tabique se emplea la metodología de Mason
(1998). Primero la energía de secado es determinada, considerando que la masa de
1000 tabiques crudos es de 27290 kg antes del proceso de secado y 25920 kg después
del proceso (estos valores fueron determinados por nosotros, pesando tabiques de La
Solana) y el valor de la energía específica de secado es 2591 kJ/kg de humedad
[Mason, 1998]:
( )( )humedaddetotalcontenidoadodeespecíficaenergíaadodeEnergía secsec = (4.1.)
( ) kJ354967025920272902591sec =−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= kgkg
kgkJadodeEnergía
Posteriormente, se calcula el total de energía utilizada en el proceso de cocción
tradicional, considerando que el combustible utilizado son 680 kg de aceite quemado y
su valor neto calorífico es 40000 kJ/kg:
( )( )caloríficonetovalorecombustibldelmasatotalEnergía = (4.2.)
( ) kJkgkJkgtotalEnergía 2720000040000680 =⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
La energía de cocción es calculada con la siguiente ecuación:
adodeenergíatotalenergíacoccióndeEnergía sec−= (4.3.)
kJkJkJcoccióndeEnergía 23650330354967027200000 =−=
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
120
Finalmente, se calcula la masa del tabique cocido, la energía de cocción específica y la
energía para cocer un tabique. La capacidad del horno tradicional es 10000 tabiques y
la masa del tabique cocido es 2.400 kg:
( )( )cocidostabiquesdenúmerococidotabiqueundemasacocidotabiquedelMasa = (4.4.)
( )( ) kgkgcocidotabiquedelMasa 2400010000400.2 ==
cocidotabiquedelMasacoccióndeEnergíaespecíficacoccióndeEnergía = (4.5.)
kgkJ
kgkJespecíficacoccióndeEnergía 4.985
2400023650330
==
( )( )específicacoccióndeenergíacocidotabiquedelmasatabiqueuncocerparaEnergía = (4.6)
( ) WhkJkgkJkgtabiqueuncocerparaEnergía 65723654.9854.2 ==⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Por lo tanto, la energía para cocer un tabique obtenido de La Solana es 657 Wh, sin
embargo, este valor depende del tipo de arcilla, el contenido de humedad del tabique
crudo, el tipo de combustible utilizado y el diseño del horno tradicional.
Se emplearon gráficas obtenidas de un Calorímetro Diferencial de Barrido (DSC), se
analizaron muestras de arcilla cruda menores a 15 mg a una temperatura de 700ºC
obtenidas de Amazcala y La Solana, que son zonas donde de producen tabiques en el
estado de Querétaro. Estos valores son compatibles con el valor de 985.4 kJ/kg
calculado anteriormente, el cual se obtuvo con una temperatura de 1000ºC.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
121
Tabla 4.1. Energía para cocer un tabique.
Muestra
Energía específica
(kJ/kg) Energía
(kJ) Energía
(Wh) Amazcala parte baja 836.250 2007.000 557.500 Amazcala parte alta 1830.750 4393.800 1220.500 Solana poniente parte intermedia 779.625 1871.100 519.750 Solana poniente parte superior 614.250 1474.200 409.500 Solana poniente parte baja 757.875 1818.900 505.250
La Gráfica 4.1. ilustra un DSC de una muestra de arcilla de Amazcala parte alta que
requiere de 4393.8 kJ ó 1220.5 Wh. El resto de las gráficas se ilustran en los Anexos.
? Specific Heat°C Jg^-1°C^-124.97 0.9899.95 2.14174.93 2.27249.91 2.40324.89 2.20399.87 2.63474.85 3.68549.83 3.47624.81 3.53699.79 3.20
Amazcala p/alta, 22.10.2004 15:52:16Amazcala p/alta, 6.4300 mg
mW2
min
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Specific Heat Amazcala p/altaAmazcala p/alta, 6.4300 mg
Jg^-1°C^-12
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
exo
SW 8.10eRTASCinv estav Querétaro: METTLER
Gráfica 4.1. DSC de una muestra obtenida en la Amazcala parte alta.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
122
El área bajo la curva de la Gráfica 4.1. es de 1830.75 J/g, la energía se calcula con la
siguiente ecuación,
mATmCpE =Δ= (4.7.)
donde
m = Masa del tabique (2400 g)
Cp = Calor específico de la muestra
ΔT = Diferencia de temperaturas
A = Área bajo la curva
Al sustituir los valores de m y A en la ecuación (4.7.) se obtiene,
WhkJgJgE 5.12208.4393)75.1830)(2400( ===
4.2.2. Color
Para determinar el color se utilizó un espectrocolorímetro (Hunter Lab, MiniScan XE), el
equipo tiene una escala con tres valores.
L = Cuyo valor máximo es 100, el cual representa un reflector difuso perfecto; el valor
mínimo es cero, el cual representa color negro.
a = No tiene límite numérico. Positivo es rojo, negativo es verde.
b = No tiene límite numérico. Positivo es amarillo, negativo es azul.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
123
Se cocieron tabiques en una mufla de laboratorio, desde 800 a 1100 ºC, la Gráfica 4.2.
muestra como cambia el color con respecto a la temperatura. A medida que la
temperatura iba en aumento, el tabique se volvió más oscuro, se hizo más rojo hasta
1000 ºC y después se volvió menos rojo, se hizo más amarillo hasta 900 ºC y después
se hizo menos amarillo.
Tabla 4.2. Color.
Muestra L a b 800 ºC 50.20 12.17 17.05 850 ºC 49.77 13.97 18.47 900 ºC 48.38 17.45 19.02 950 ºC 44.38 18.39 17.16
1000 ºC 43.68 18.81 16.82 1050 ºC 39.59 16.61 13.79 1100 ºC 34.09 8.72 6.72
800 850 900 950 1000 1050 1100
10
20
30
40
50
Esca
la d
e co
lor
Temperatura (ºC)
L a b
Gráfica 4.2. Cambio de color vs. temperatura.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
124
4.2.3. Diferencia de peso
Se determinó la diferencia de peso que existe entre un tabique crudo y un tabique
cocido con una balanza (Ohaus Serie 700/800), se cocieron tabiques de 800 a 1100 ºC.
Tabla 4.3. Diferencia de peso de un tabique crudo y un tabique cocido.
Muestra Diferencia
de peso (%)800 ºC -13.07 850 ºC -12.96 900 ºC -12.80 950 ºC -13.38
1000 ºC -13.35 1050 ºC -13.14 1100 ºC -13.50
800 850 900 950 1000 1050 1100-13.6
-13.5
-13.4
-13.3
-13.2
-13.1
-13.0
-12.9
-12.8
-12.7
Dife
renc
ia d
e pe
so (%
)
Temperatura (ºC)
Gráfica 4.3. Diferencia de peso vs. temperatura.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
125
4.2.4. Resistencia a la compresión
Se determinó la resistencia a la compresión de muestras cocidas en una mufla de
laboratorio de 800 a 1100 ºC (tres muestras para cada temperatura) de acuerdo a la
Norma Mexicana NMX-C-036-1983 [Dirección General de Normas, 1983]. Primero, se
cabecearon las probetas con azufre fundido para dejar las caras paralelas, tal como se
muestra en la Figura 4.1.
Figura 4.1. Cabeceo de probetas.
Posteriormente, las placas de la máquina universal (Forney, Modelo LT-1150 con
capacidad de 150 toneladas) hacen contacto con las caras de las probetas con azufre
fundido. Las muestras se someten bajo carga, iniciando desde 0 kg e incrementándola
gradualmente hasta que la probeta se fracture.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
126
Figura 4.2. Probeta sometida a compresión.
Los resultados obtenidos se encuentran en la Tabla 4.4. y en la Gráfica 4.4.
Tabla 4.4. Resistencia a la compresión.
Muestra
Resistencia a la compresión
(kg/cm2) 800 ºC 36.498 850 ºC 50.830 900 ºC 58.087 950 ºC 73.248
1000 ºC 84.189 1050 ºC 123.115 1100 ºC 124.156
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
127
800 850 900 950 1000 1050 110020
40
60
80
100
120
140
Res
iste
ncia
a la
com
pres
ión
(kg/
cm2 )
Temperatura (ºC)
Gráfica 4.4. Resistencia a la compresión vs. temperatura.
4.2.5. Absorción de agua
Se determinó la absorción de agua de acuerdo a la norma NMX-C-037-1986 [Dirección
General de Normas, 1986]. Primero se pesó el tabique seco (Ms), posteriormente se
sumergieron en agua los tabiques durante 24 horas, después de este tiempo se
sacaron del agua, se secaron superficialmente y se determinó el peso (Msss) , y por
último se pesaron los tabiques sumergidos en agua (Pa), tal como se muestra en la
Figura 4.3.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
128
Figura 4.3. Determinación de la absorción de agua, a) Peso del tabique seco (Ms), b) Tabiques sumergidos durante 24 horas (Msss), c) Determinación del peso del tabique sumergido (Pa).
La absorción de agua (A) se determina con la ecuación (4.8.):
1000xPaMsssMsMsssA
−−
= (4.8.)
donde:
A = Volumen de agua absorbida al volumen aparente del espécimen en dm3/m3
Ms = Masa seca del espécimen en kg
Msss = Masa saturada y superficialmente seca en kg
Pa = Peso ahogado en kg
a) b)
c)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
129
Tabla 4.5. Absorción de agua
Muestra
Absorción de agua (dm3/m3)
Absorción de agua
(%) 800 ºC 295.022 29.50 850 ºC 278.457 27.85 900 ºC 300.500 30.05 950 ºC 295.431 29.54
1000 ºC 285.389 28.54 1050 ºC 230.593 23.06 1100 ºC 133.730 13.37
800 850 900 950 1000 1050 110012
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Abso
rció
n de
agu
a (%
)
Temperatura (ºC)
Gráfica 4.5. Absorción de agua vs. temperatura.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
130
4.3. Helióstato
4.3.1. Espejos
4.3.1.1 Selección de superficies reflejantes
Se caracterizaron cuatro superficies reflejantes en las instalaciones del Centro Nacional
de Metrología (CENAM), los materiales analizados fueron (Figura 4.4.),
• Aluminio anodizado (Ultrabrite 0.020”) de Aluminum Coil Anodizing Corporation.
• Película reflejante (Decora 23002) de Betterware.
• Película reflejante (P-18ARL) de 3M.
• Espejo de vidrio de segunda superficie (con vidrio de 0.006 m de espesor).
Figura 4.4. Probetas para determinar reflectancia especular: A1) Aluminio anodizado. B1) Película
reflejante Decora 23002. C1) Película reflejante P18-ARL. D1) Espejo de vidrio.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
131
Se determinó la reflectancia especular con un espectrofotómetro (Varian, Modelo Cary
5E) desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, tal como se muestra en la Gráfica 4.6. La
irradiación en la superficie de la Tierra está efectivamente limitada a longitudes de onda
entre 300 y 2500 nm, como resultado de que casi toda la energía solar es absorbida
por ozono en longitudes de onda debajo de 300 nm y dióxido de carbono en longitudes
de onda superiores a 2500nm [Goswami et al., 2000].
500 1000 1500 2000 25000
20
40
60
80
100
Ref
lect
anci
a (%
)
Longitud de onda (nm)
Aluminio anodizado Ultrabrite 0.020" Película reflejante Decora 23002 Película reflejante P-18ARL Espejo de vidrio de 2a. superficie
Visible
Gráfica 4.6. Reflectancia especular para la selección de superficies.
Los materiales con la mejor reflectancia a través del rango de longitud de onda
examinado fueron el aluminio anodizado Ultrabrite 0.020” y la película reflejante Decora
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
132
23002. El espejo de vidrio de segunda superficie tiene baja reflectancia en el infrarrojo,
mientras que la película reflejante P18-ARL mostró un bajo valor de reflectancia de 0.6
a través del rango. El aluminio anodizado y la película reflejante Decora tienen una
reflectancia especular de 0.9 para el rango de 300 a 2500 nm; seleccionamos el
aluminio anodizado por su mejor durabilidad en el medio ambiente.
4.3.1.2 Ecuaciones de Fresnel
La reflectancia de los espejos se calcula con las ecuaciones (3.1.) a la (3.5.), se
determinó la reflectancia del aluminio para los equinoccios y los solsticios en un rango
de longitud de onda de 0.0041 a 32 μm.
De la Tabla 4.6. a la 4.9. y de la Gráfica 4.7. a la 4.10., se muestra la reflectancia del
aluminio para el 22 de marzo, 21 de junio, 21 de septiembre y 21 de diciembre.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
133
Tabla 4.6. Reflectancia del espejo de aluminio (22.mar).
θ1 λ (μm) n k p q ρll ρ┴ ρ
Ultravioleta
40.573 0.0041 1.00 0.00 0.760 0.000 0.000 0.000 0.00040.573 0.0069 0.99 0.01 0.746 0.013 0.000 0.000 0.00040.573 0.0095 0.99 0.02 0.747 0.027 0.000 0.000 0.00040.573 0.0113 0.99 0.03 0.747 0.040 0.000 0.001 0.00040.573 0.0124 0.99 0.03 0.747 0.040 0.000 0.001 0.00040.573 0.0131 1.00 0.04 0.760 0.053 0.000 0.001 0.00140.573 0.0155 1.01 0.02 0.773 0.026 0.000 0.000 0.00040.573 0.0165 1.01 0.02 0.773 0.026 0.000 0.000 0.00040.573 0.0172 1.02 0.00 0.786 0.000 0.000 0.000 0.00040.573 0.0248 0.97 0.01 0.720 0.013 0.000 0.001 0.00040.573 0.0496 0.81 0.02 0.484 0.034 0.000 0.050 0.02540.573 0.0729 0.47 0.04 0.041 0.453 0.712 0.851 0.78140.573 0.1033 0.03 0.79 0.023 1.023 0.922 0.958 0.94040.573 0.2066 0.13 2.39 0.125 2.477 0.905 0.945 0.92540.573 0.3100 0.29 3.74 0.286 3.796 0.904 0.944 0.924
Visible
40.573 0.4000 0.49 4.86 0.486 4.903 0.902 0.942 0.92240.573 0.5000 0.77 6.08 0.766 6.114 0.900 0.941 0.92140.573 0.6000 1.02 7.26 1.016 7.289 0.907 0.945 0.92640.573 0.6500 1.47 7.79 1.465 7.816 0.886 0.933 0.90940.573 0.7000 1.83 8.31 1.825 8.334 0.877 0.927 0.902
Infrarrojo
40.573 0.8000 2.80 8.45 2.793 8.473 0.832 0.899 0.86640.573 1.1300 1.20 11.20 1.198 11.219 0.952 0.972 0.96240.573 1.5000 1.38 15.40 1.379 15.414 0.970 0.983 0.97640.573 2.0000 2.15 20.70 2.149 20.710 0.974 0.985 0.98040.573 4.0000 6.43 39.80 6.429 39.805 0.979 0.988 0.98440.573 7.0000 14.00 66.20 13.999 66.203 0.984 0.991 0.98740.573 10.0000 25.30 89.20 25.299 89.202 0.985 0.991 0.98840.573 20.0000 60.70 147.00 60.699 147.001 0.987 0.993 0.99040.573 32.0000 103.00 208.00 103.000 208.001 0.990 0.994 0.992
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.004
1
0.009
5
0.012
4
0.015
5
0.017
2
0.049
6
0.103
3
0.310
0
0.500
0
0.650
0
0.800
0
1.500
0
4.000
0
10.00
00
32.00
00
λ (μm)
ρ
Gráfica 4.7. Reflectancia vs. longitud de onda (22.mar, θ1 = 40.573º).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
134
Tabla 4.7. Reflectancia del espejo de aluminio (21.jun).
θ1 λ (μm) n k p q ρll ρ┴ ρ
Ultravioleta
52.370 0.0041 1.00 0.00 0.611 0.000 0.000 0.000 0.00052.370 0.0069 0.99 0.01 0.594 0.017 0.000 0.000 0.00052.370 0.0095 0.99 0.02 0.595 0.033 0.000 0.001 0.00152.370 0.0113 0.99 0.03 0.595 0.050 0.000 0.002 0.00152.370 0.0124 0.99 0.03 0.595 0.050 0.000 0.002 0.00152.370 0.0131 1.00 0.04 0.613 0.065 0.000 0.003 0.00252.370 0.0155 1.01 0.02 0.627 0.032 0.000 0.001 0.00052.370 0.0165 1.01 0.02 0.627 0.032 0.000 0.001 0.00052.370 0.0172 1.02 0.00 0.643 0.000 0.000 0.001 0.00052.370 0.0248 0.97 0.01 0.560 0.017 0.000 0.002 0.00152.370 0.0496 0.81 0.02 0.189 0.086 0.136 0.286 0.21152.370 0.0729 0.47 0.04 0.029 0.639 0.840 0.912 0.87652.370 0.1033 0.03 0.79 0.021 1.118 0.933 0.969 0.95152.370 0.2066 0.13 2.39 0.123 2.517 0.893 0.956 0.92552.370 0.3100 0.29 3.74 0.284 3.822 0.887 0.955 0.921
Visible
52.370 0.4000 0.49 4.86 0.484 4.923 0.882 0.954 0.91852.370 0.5000 0.77 6.08 0.764 6.131 0.879 0.953 0.91652.370 0.6000 1.02 7.26 1.014 7.302 0.886 0.956 0.92152.370 0.6500 1.47 7.79 1.463 7.829 0.861 0.946 0.90352.370 0.7000 1.83 8.31 1.822 8.346 0.851 0.941 0.896
Infrarrojo
52.370 0.8000 2.80 8.45 2.789 8.483 0.797 0.918 0.85852.370 1.1300 1.20 11.20 1.197 11.228 0.941 0.977 0.95952.370 1.5000 1.38 15.40 1.378 15.420 0.963 0.986 0.97552.370 2.0000 2.15 20.70 2.148 20.715 0.968 0.988 0.97852.370 4.0000 6.43 39.80 6.429 39.808 0.974 0.990 0.98252.370 7.0000 14.00 66.20 13.999 66.205 0.980 0.993 0.98652.370 10.0000 25.30 89.20 25.299 89.203 0.981 0.993 0.98752.370 20.0000 60.70 147.00 60.699 147.002 0.984 0.994 0.98952.370 32.0000 103.00 208.00 102.999 208.001 0.988 0.995 0.991
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.004
1
0.009
5
0.012
4
0.015
5
0.017
2
0.049
6
0.103
3
0.310
0
0.500
0
0.650
0
0.800
0
1.500
0
4.000
0
10.00
00
32.00
00
λ (μm)
ρ
Gráfica 4.8. Reflectancia vs. longitud de onda (21.jun, θ1 = 52.370º).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
135
Tabla 4.8. Reflectancia del espejo de aluminio (21.sep).
θ1 λ (μm) n k p q ρll ρ┴ ρ
Ultravioleta
40.471 0.0041 1.00 0.00 0.761 0.000 0.000 0.000 0.00040.471 0.0069 0.99 0.01 0.748 0.013 0.000 0.000 0.00040.471 0.0095 0.99 0.02 0.748 0.026 0.000 0.000 0.00040.471 0.0113 0.99 0.03 0.748 0.040 0.000 0.001 0.00040.471 0.0124 0.99 0.03 0.748 0.040 0.000 0.001 0.00040.471 0.0131 1.00 0.04 0.761 0.053 0.000 0.001 0.00140.471 0.0155 1.01 0.02 0.774 0.026 0.000 0.000 0.00040.471 0.0165 1.01 0.02 0.774 0.026 0.000 0.000 0.00040.471 0.0172 1.02 0.00 0.787 0.000 0.000 0.000 0.00040.471 0.0248 0.97 0.01 0.721 0.013 0.000 0.001 0.00040.471 0.0496 0.81 0.02 0.485 0.033 0.000 0.050 0.02540.471 0.0729 0.47 0.04 0.042 0.451 0.710 0.850 0.78040.471 0.1033 0.03 0.79 0.023 1.022 0.922 0.957 0.94040.471 0.2066 0.13 2.39 0.125 2.476 0.905 0.945 0.92540.471 0.3100 0.29 3.74 0.286 3.796 0.904 0.944 0.924
Visible
40.471 0.4000 0.49 4.86 0.486 4.903 0.902 0.942 0.92240.471 0.5000 0.77 6.08 0.766 6.114 0.901 0.941 0.92140.471 0.6000 1.02 7.26 1.016 7.288 0.907 0.945 0.92640.471 0.6500 1.47 7.79 1.465 7.816 0.886 0.932 0.90940.471 0.7000 1.83 8.31 1.825 8.334 0.877 0.927 0.902
Infrarrojo
40.471 0.8000 2.80 8.45 2.793 8.472 0.832 0.899 0.86640.471 1.1300 1.20 11.20 1.198 11.219 0.952 0.972 0.96240.471 1.5000 1.38 15.40 1.379 15.414 0.970 0.983 0.97640.471 2.0000 2.15 20.70 2.149 20.710 0.974 0.985 0.98040.471 4.0000 6.43 39.80 6.429 39.805 0.979 0.988 0.98440.471 7.0000 14.00 66.20 13.999 66.203 0.984 0.991 0.98740.471 10.0000 25.30 89.20 25.299 89.202 0.985 0.991 0.98840.471 20.0000 60.70 147.00 60.699 147.001 0.987 0.993 0.99040.471 32.0000 103.00 208.00 103.000 208.001 0.990 0.994 0.992
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.004
1
0.009
5
0.012
4
0.015
5
0.017
2
0.049
6
0.103
3
0.310
0
0.500
0
0.650
0
0.800
0
1.500
0
4.000
0
10.00
00
32.00
00
λ (μm)
ρ
Gráfica 4.9. Reflectancia vs. longitud de onda (21.sep, θ1 = 40.471º).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
136
Tabla 4.9. Reflectancia del espejo de aluminio (21.dic).
θ1 λ (μm) n k p q ρll ρ┴ ρ
Ultravioleta
28.766 0.0041 1.00 0.00 0.877 0.000 0.000 0.000 0.00028.766 0.0069 0.99 0.01 0.865 0.011 0.000 0.000 0.00028.766 0.0095 0.99 0.02 0.865 0.023 0.000 0.000 0.00028.766 0.0113 0.99 0.03 0.865 0.034 0.000 0.000 0.00028.766 0.0124 0.99 0.03 0.865 0.034 0.000 0.000 0.00028.766 0.0131 1.00 0.04 0.877 0.046 0.000 0.001 0.00028.766 0.0155 1.01 0.02 0.888 0.023 0.000 0.000 0.00028.766 0.0165 1.01 0.02 0.888 0.023 0.000 0.000 0.00028.766 0.0172 1.02 0.00 0.899 0.000 0.000 0.000 0.00028.766 0.0248 0.97 0.01 0.842 0.012 0.000 0.000 0.00028.766 0.0496 0.81 0.02 0.652 0.025 0.004 0.022 0.01328.766 0.0729 0.47 0.04 0.117 0.161 0.166 0.596 0.38128.766 0.1033 0.03 0.79 0.026 0.925 0.919 0.946 0.93328.766 0.2066 0.13 2.39 0.127 2.438 0.915 0.936 0.92528.766 0.3100 0.29 3.74 0.288 3.771 0.916 0.935 0.925
Visible
28.766 0.4000 0.49 4.86 0.488 4.884 0.914 0.933 0.92428.766 0.5000 0.77 6.08 0.768 6.099 0.913 0.933 0.92328.766 0.6000 1.02 7.26 1.018 7.276 0.918 0.937 0.92828.766 0.6500 1.47 7.79 1.467 7.804 0.900 0.923 0.91128.766 0.7000 1.83 8.31 1.827 8.323 0.892 0.916 0.904
Infrarrojo
28.766 0.8000 2.80 8.45 2.796 8.462 0.853 0.885 0.86928.766 1.1300 1.20 11.20 1.199 11.210 0.958 0.968 0.96328.766 1.5000 1.38 15.40 1.379 15.407 0.974 0.980 0.97728.766 2.0000 2.15 20.70 2.149 20.706 0.978 0.983 0.98028.766 4.0000 6.43 39.80 6.430 39.803 0.982 0.986 0.98428.766 7.0000 14.00 66.20 14.000 66.202 0.986 0.989 0.98828.766 10.0000 25.30 89.20 25.300 89.201 0.987 0.990 0.98828.766 20.0000 60.70 147.00 60.700 147.001 0.989 0.992 0.99028.766 32.0000 103.00 208.00 103.000 208.000 0.991 0.993 0.992
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.004
1
0.009
5
0.012
4
0.015
5
0.017
2
0.049
6
0.103
3
0.310
0
0.500
0
0.650
0
0.800
0
1.500
0
4.000
0
10.00
00
32.00
00
λ (μm)
ρ
Gráfica 4.10. Reflectancia vs. longitud de onda (21.dic, θ1 = 28.766º).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
137
4.3.1.3 Pruebas con los espejos
El espejo tiene en el centro un tornillo el cual se jala para hacer el espejo ligeramente
cóncavo. Se midió la mancha solar cuando el tornillo giró 0, 0.5, 1 y 2 vueltas, tal como
se muestra en la Figura 4.5. La mancha de menor tamaño se obtiene cuando el tornillo
giró 0.5 vueltas.
Figura 4.5. Tamaño de la mancha solar cuando el tornillo gira: a) 0 vueltas. b) 0.5 vueltas. c) 1
vuelta. d) 2 vueltas.
1.90 m
1.80 m
a) b)
c) d)
1.80 m
1.65 m
1.90 m
1.70 m
1.90 m
1.80 m
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
138
4.3.2. Medición del torque
Se midió el torque del helióstato en la parte frontal y posterior con un torquímetro de
carátula Urrea. En la parte frontal el torque máximo de arranque fue de 47.5 Nm y el
torque máximo de frenado de 61.0 Nm. En la parte posterior el torque máximo de
arranque fue de 42.0 Nm y el torque máximo de frenado de 54.2 Nm.
Figura 4.6. a) y b) Medición del torque en la parte frontal del helióstato, c) y d) Medición del torque
en la parte posterior del helióstato.
a) b)
c) d)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
139
4.3.3. Seguidor solar
Existe una diferencia en la forma de la mancha solar que generan los helióstatos
tradicionales (azimut-elevación) y los helióstatos no-imagen (rotación-elevación), en los
helióstatos tradicionales la mancha adquiere una forma elíptica con un flujo de calor no
uniforme casi todo el tiempo, en cambio los helióstatos no-imagen generan una
mancha circular casi todo el tiempo.
La no uniformidad en el flujo de calor ocasionado por los helióstatos tradicionales
puede ocasionar daños en el receptor, además la dispersión de la mancha tiene mayor
duración que en los helióstatos no-imagen. Chen et al. [2004] realizan una comparación
de los dos tipos de helióstato sobre la dispersión de la imagen a diferentes horas del 21
de junio (Figura 4.7.).
Figura 4.7. Comparación de la dispersión de las manchas intersectadas por un objetivo (“target”)
generadas por un helióstato tradicional (lado izquierdo) y un helióstato no-imagen (lado derecho)
a diferentes horas del 21 de junio. a) 7 A.M. b) 9 A.M. c) 11 A.M. d) 1 P.M. e) 3 P.M.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
140
Chen et al. [2004] también realizan una comparación de las pérdidas de calor en
función del diámetro de apertura del receptor. La Gráfica 4.11. muestra que para
aperturas en un rango de 1 a 2 m, el helióstato no-imagen provee una reducción en las
pérdidas de calor de aproximadamente 30% con respecto al helióstato tradicional.
Gráfica 4.11. Pérdidas de calor máximas anualmente en función del diámetro del receptor. Curva de
arriba: helióstato tradicional. Curva de abajo: helióstato no-imagen.
En el horno solar para cocer tabiques de arcilla se utiliza un helióstato con seguidor
rotación-elevación debido a que la concentración es más estable y uniforme comparado
con los helióstatos tradicionales.
4.3.4. Cálculo del seguimiento primario
El cálculo del seguimiento primario se realiza con las ecuaciones (3.28.) y (3.30.). La
Gráfica 4.12. muestra el ángulo de rotación del helióstato ρ para los equinoccios y
solsticios. Las gráficas para los equinoccios se traslapan, mientras que en los solsticios
Pér
dida
de
calo
r máx
ima
(%)
Diámetro del receptor (m)
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
141
el ángulo de rotación únicamente coincide a las 12:00 horas y existe una diferencia
máxima de 24.37º a las 7:00 y 17:00 horas (tiempo solar de la ciudad de Querétaro con
una latitud de 20.6º).
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1006 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Tiempo solar
ρ (g
rado
s) 22.mar21.jun21.sep21.dic
Gráfica 4.12. Ángulo de rotación (ρ) del helióstato en función de la hora solar de la ciudad de
Querétaro.
La Gráfica 4.13. muestra el ángulo de elevación corregido del helióstato θ’ para los
equinoccios y solsticios. En los equinoccios las gráficas se traslapan, mientras que en
los solsticios existe una diferencia entre 19.64º a las 6:00 y 18:00 horas y 23.30º a las
12:00 horas (tiempo solar de la ciudad de Querétaro con una latitud de 20.6º).
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
142
0
10
20
30
40
50
60
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Tiempo solar
θ' (g
rado
s) 22.mar21.jun21.sep21.dic
Gráfica 4.13. Ángulo de elevación corregido (θ’) del helióstato en función de la hora solar de la ciudad
de Querétaro.
4.3.5. Cálculo del seguimiento secundario
Para el cálculo del seguimiento secundario se utilizan las ecuaciones (3.35.) y (3.36.).
La Gráfica 4.14. ilustra el movimiento angular σ’ con respecto al tiempo solar para los
equinoccios y solsticios de las filas ubicadas en Hx = 3 m y Hx = -3 m, para L = 20 m.
Los valores de σ’ están entre -4.32° y 3.95°.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
143
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Tiempo solar
σ' (
grad
os)
22.mar (H=3m)
21.jun (H=3m)
21.sep (H=3m)21.dic (H=3m)
22.mar (H=-3m)
21.jun (H=-3m)
21.sep (H=-3m)
21.dic (H=-3m)
Gráfica 4.14. Movimiento angular (σ’) de las filas en función de la hora solar para L = 20 m.
La Gráfica 4.15. ilustra el movimiento angular γ’ con respecto al tiempo solar para los
equinoccios y solsticios de las columnas ubicadas en Hy = 3 m y Hy = -3 m, para L = 20
m. Los valores de γ’ están entre -7.43° y 7.43°.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
144
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Tiempo solar
γ' (g
rado
s)22.mar (H=3m)
21.jun (H=3m)
21.sep (H=3m)
21.dic (H=3m)
22.mar (H=-3m)
21.jun (H=-3m)
21.sep (H=-3m)
21.dic (H=-3m)
Gráfica 4.15. Movimiento angular (γ’) de las columnas en función de la hora solar para L = 20 m.
4.3.6. Cálculo del tamaño de la mancha solar
Utilizando el programa de computación descrito en el Capítulo 3, se desarrolla otro
sistema para determinar el tamaño de mancha solar generada por el helióstato en un
receptor plano localizado a 20 m, sin embargo el sistema permite calcular el tamaño de
la mancha a cualquier distancia. La Figura 4.8. muestra el algoritmo para determinar el
tamaño de la mancha solar.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
145
Figura 4.8. Algoritmo para determinar el tamaño de la mancha solar.
La Figura 4.9. muestra la pantalla del sistema que calcula el tamaño de la mancha
solar, la cual tiene forma de elipse y se hace más circular al medio día.
Inicio
Parámetros de entrada: Apertura del espejo, d Ángulo de elevación, θ
Ángulo de desviación, δθ Ángulo de elevación corregido, θ'
Distancia entre la superficie reflectora y el eje de elevación, Hz
Distancia entre el espejo maestro y el objetivo, L
Distancia entre el espejo maestro y las filas (1, 2, 3, 5, 6 y 7), Hx1, Hx2, Hx3, Hx5, Hx6, Hx7
Distancia entre el espejo maestro y las columnas (1, 2, 3, 5, 6 y 7), Hy1, Hy2, Hy3, Hy5, Hy6, Hy7
Movimiento angular de las filas (1, 2, 3, 5, 6 y 7), σ’1, σ’2, σ’3, σ’5, σ’6, σ’7
Μοϖιμιεντο ανγυλαρ δε λασ χολυμνασ (1, 2, 3, 5, 6 ψ 7), γ’1, γ’2, γ’3, γ’5, γ’6, γ’7
Calcular mancha generada por las filas: Fila maestra (mitad superior), WFMS
Fila maestra (mitad inferior), WFMI Filas que están arriba de la fila maestra (mitad
superior), WFAS Filas que están arriba de la fila maestra (mitad
inferior), WFAI Filas que están abajo de la fila maestra (mitad
superior), WFBS Filas que están abajo de la fila maestra (mitad
inferior), WFBI
Fin
Calcular mancha generada por las columnas: Columna maestra (mitad izquierda y derecha), WCMS,
WCMI
Columnas a la izquierda de la columna maestra (mitad izquierda), WCAI
Columnas a la izquierda de la columna maestra (mitad derecha), WCAD
Columnas a la derecha de la columna maestra (mitad izquierda), WCBI
Columnas a la derecha de la columna maestra (mitad derecha), WCBD
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
146
Figura 4.9. Sistema para el cálculo del tamaño de la mancha solar.
4.4. Cámara de cocción
4.4.1. Caracterización del material para la cavidad de cuerpo negro
(Hastelloy X)
Se caracterizaron tres muestras de Hastelloy X (muestra A, B y C), las piezas se
metieron a una mufla a diferentes temperaturas; se inicio con un ciclo de 120 ºC
durante una hora, se dejaban enfriar las piezas, se pesaban y se medía el área;
posteriormente se sometían a un ciclo de 200 ºC durante una hora, se dejaban enfriar,
Mancha solar
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
147
se pesaban y se medía el área; este proceso se repitió pero incrementando la
temperatura 100 ºC en cada ciclo hasta llegar a 1150 ºC.
De las corridas de 100 a 400 ºC no hubo cambios en la apariencia de las muestras, a
los 500 ºC adquirieron un color amarillento, a los 600 ºC un color azul, a los 700 ºC los
bordes adquirieron un color negro, a los 800 ºC toda la superficie de las muestras
adquirieron un color negro, a los 900 ºC se ennegrecieron más, de los 1000 a los 1150
ºC continuaron de color negro. La Figura 4.10. muestra los cambios de color en una
muestra de Hastelloy X a medida que se iba incrementando los ciclos de temperatura.
Figura 4.10. Cambios de color en una muestra de Hastelloy X sometida a diferentes temperaturas,
desde 300 a 1150 ºC.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
148
Las muestras A, B y C no se degradaron después de haber incrementado la
temperatura; la muestra A se sometió hasta 1150 ºC, mientras que las muestras B y C
únicamente hasta 1000 ºC. El peso y el área no sufrieron cambios, tal como se muestra
en las Gráficas de la 4.16. a la 4.21.
MUESTRA A Peso vs. Temperatura de cocción
640
650
660
670
Temperatura (ºC)
Peso
(g)
-2.38%
-1.38%
-0.38%
0.62%
1.62%
Peso 655.6 655.7 655.5 655.6 655.5 653.4 653.5 655.6 655.6 655.7 655.4 656 655.9
Porcentaje 0.00% 0.02% -0.02% 0.00% -0.02% -0.34% -0.32% 0.00% 0.00% 0.02% -0.03% 0.06% 0.05%
Amb. 120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1150
Gráfica 4.16. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra A.
MUESTRA B Peso vs. Temperatura de cocción
640
650
660
670
Temperatura (ºC)
Peso
(g)
-2.01%
-1.01%
-0.01%
0.99%
1.99%
Peso 653.4 653.1 653.3 653.2 651.1 651 653.5 653.4 653.3 653.1
Porcentaje 0.05% 0.00% 0.03% 0.02% -0.31% -0.32% 0.06% 0.05% 0.03% 0.00%
120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Gráfica 4.17. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra B.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
149
MUESTRA C Peso vs. Temperatura de cocción
610
620
630
640
650
Temperatura (ºC)
Peso
(g)
-4.09%
-3.09%
-2.09%
-1.09%
-0.09%
0.91%
1.91%
Peso 636 636.1 636 636 636.1 633.9 633.9 636 636 636.1 636
Porcentaje 0.00% 0.02% 0.00% 0.00% 0.02% -0.33% -0.33% 0.00% 0.00% 0.02% 0.00%
Amb. 120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Gráfica 4.18. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra C.
MUESTRA A Área vs. Temperatura de cocción
5750
5760
5770
5780
5790
5800
5810
5820
Temperatura (ºC)
Área
(mm
2 )
-0.87%
-0.57%
-0.27%
0.03%
0.33%
Área 5800.6554 5797.2195 5795.1812 5798.9211 5796.337 5796.337 5793.1756 5794.0254 5795.1812 5801.4675 5796.7936 5799.9564 5800.5342
Porcentaje 0.00% -0.06% -0.09% -0.03% -0.07% -0.07% -0.13% -0.11% -0.09% 0.01% -0.07% -0.01% 0.00%
Amb. 120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1150
Gráfica 4.19. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra A.
MUESTRA B Área vs. Temperatura de cocción
5700
5710
5720
5730
5740
5750
5760
5770
Temperatura (ºC)
Área
(mm
2 )
-0.79%
-0.49%
-0.19%
0.11%
0.41%
Área 5745.471 5746.041 5736.1632 5733.015 5737.7376 5729.0094 5732.584 5735.448 5732.2996 5734.7304 5730.0082
Porcentaje 0.00% 0.01% -0.16% -0.22% -0.13% -0.29% -0.22% -0.17% -0.23% -0.19% -0.27%
Amb. 120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Gráfica 4.20. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra B.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
150
MUESTRA C Área vs. Temperatura de cocción
5580
5590
5600
5610
5620
5630
5640
5650
Temperatura (ºC)
Área
(mm
2 )
-0.75%
-0.45%
-0.15%
0.15%
0.45%
Área 5622.336 5613.12 5614.4024 5611.024 5610.6756 5605.6238 5608.5997 5612.976 5620.1057 5614.875 5603.375
Porcentaje 0.00% -0.16% -0.14% -0.20% -0.21% -0.30% -0.24% -0.17% -0.04% -0.13% -0.34%
Amb. 120 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Gráfica 4.21. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra C.
Se midió el peso y el área de muestras más pequeñas, para poder emplear una
balanza analítica y determinar si existe degradación de material. Las muestras se
cocieron a 900, 1000, 1100 y 1150 ºC, tal como se muestra en la Figura 4.11 y las
Gráficas 4.22 y 4.23. Por lo tanto, el Hastelloy X es una buena opción para utilizarlo
como material para construir la cavidad de cuerpo negro.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
151
Figura 4.11. Cambios de color en una muestra de Hastelloy X sometida a diferentes temperaturas, desde 900 a 1150 ºC.
Gráfica 4.22. Peso vs. Temperatura de cocción. Muestra A.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
152
Gráfica 4.23. Área vs. Temperatura de cocción. Muestra A.
4.5. Comentarios finales del capítulo
Se determinó la energía para cocer un tabique con la metodología de Mason y
utilizando gráficas de DSC.
Se utiliza un seguidor solar rotación-elevación debido a que concentra la radiación solar
de manera más estable y uniforme que los seguidores azimut-elevación. Se caracterizó
el seguimiento primario (rotación ρ y elevación corregido θ’) y el seguimiento
secundario (movimiento angular de las filas σ’ y las columnas γ’) para los equinoccios y
los solsticios.
Se caracterizó el Hastelloy hasta 1150 ºC y no sufrió degradación en peso y área, por
lo tanto se puede utilizar como material para la cavidad de cuerpo negro.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
153
CAPÍTULO 5
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
154
CAPÍTULO 5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y
CONCLUSIONES
5.1. Discusión de resultados
Se cocieron piezas de tabique de arcilla de las zonas de La Solana y Amazcala dentro
del estado de Querétaro con una mufla a temperaturas de 700, 800, 900, 1000 y 1100
ºC. Como resultado de estas pruebas se determinó que el horno solar debe alcanzar
temperaturas entre 950 y 1050 ºC.
Se realizaron una serie de cálculos para determinar las dimensiones del helióstato y el
concentrador parabólico, de tal manera que el horno solar tenga una capacidad para
cocer 10 tabiques.
Para determinar el área del helióstato se deben considerar las pérdidas ópticas y
pérdidas de calor por convección y radiación. También se determinó la temperatura
externa e interna de la cámara de cocción considerando la radiación normal directa en
Querétaro, el calor específico del tabique y las pérdidas de calor por conducción,
convección y radiación.
Los espejos de aluminio anodizado tienen una reflectancia especular que oscila entre
0.73 y 0.95, las mediciones se tomaron de 300 a 2500 nm.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
155
El helióstato tiene un área de 9 m2, consiste de 9 espejos acomodados en 3 filas y 3
columnas. Se emplea un seguidor solar rotación-elevación en lugar de un seguidor
azimut-elevación debido a que genera menos aberraciones de astigmatismo, por lo
tanto el flujo de calor es más uniforme; además se requieren M + N = 6 motores, 2 para
el seguimiento primario y 4 para el seguimiento secundario.
El seguimiento primario se divide en dos partes, el movimiento de rotación y el de
elevación. El movimiento de rotación se desplaza de -90º a 90º durante todo el día y el
de elevación se mueve de 17º en invierno a 54º en verano. El seguimiento secundario
tanto para las filas y las columnas es menor a 10º.
Se desarrolló un sistema de programación visual con el cual se pueden calcular los
ángulos para el seguimiento primario y secundario.
Se utiliza un concentrador parabólico fuera de eje con una apertura de 1.58 m de
diámetro y un foco de 1 m, con este tipo de concentradores se evita que la cámara de
cocción proyecte sombra sobre la superficie del concentrador, como sucede con los
concentradores axiales. El sistema helióstato + concentrador parabólico generan un
tamaño de mancha en la cámara de cocción de 0.11 a 0.22 m
La cámara de cocción tiene una capacidad de 40 tabiques, en su núcleo tiene la
cavidad de cuerpo negro hecha con placas de Hastelloy X la cual recibe los rayos
provenientes del concentrador a través de un orificio de 0.25 m. La cavidad de cuerpo
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
156
negro absorbe la radiación solar y la emite a los tabiques que están localizados
alrededor. La cámara de cocción se aísla con cemento refractario de 0.05 m de
espesor, una colchoneta aislante de fibras cerámicas refractarias Kaowool de 0.05 m
de espesor y una lámina de acero de calibre 22.
5.2. Conclusiones
• El uso de hornos solares para cocimiento de tabiques de arcilla permite la
eliminación de contaminación atmosférica tanto del aire como del suelo, ya que
no se emplean desechos domésticos o industriales.
• El uso de energía solar permite tener un ahorro en el empleo de combustibles no
renovables.
• Es posible obtener altas temperaturas para el cocimiento de tabiques de arcilla
mediante concentradores solares, los cuales deben tener una alta razón de
concentración y un mecanismo preciso de seguimiento del Sol.
• Se mejorará la calidad de los tabiques puesto que el calor de cocimiento será
uniforme, situación que no sucede con los hornos tradicionales empleados en la
actualidad.
• Para el cocimiento de 10 tabiques se requiere un área del helióstato de 9m2.
• El concentrador parabólico genera un tamaño de mancha de 0.11 a 0.22 m en el
orificio de la cavidad de cuerpo negro.
• La aportación al conocimiento será calentar un volumen a 1000 ºC en lugar de
un punto por medio de una cavidad de cuerpo negro.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
157
• El horno solar puede tener otras aplicaciones, tales como el tratamiento de
cerámicos, generación de electricidad, producción de hidrógeno, cremación de
cuerpos, entre otros.
5.3. Trabajos futuros
Este proyecto da pie a que se generen nuevos proyectos de investigación para el
desarrollo de tesis de maestría o doctorado, a continuación se enlistan algunos
proyectos a desarrollar en el futuro:
• Instalar control del seguidor solar en el helióstato.
• Alinear sistema óptico: helióstato + concentrador parabólico fuera de eje +
cámara de cocción.
• Realizar pruebas físico-químicas con diferentes técnicas de laboratorio para la
caracterización de los tabiques cocidos en el horno solar, de acuerdo con las
normas vigentes.
• Aplicar el horno solar en el secado de tabicón de concreto.
• Aplicar el horno solar para el tratamiento de metales.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
158
BIBLIOGRAFÍA
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
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HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
167
ANEXOS
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
168
ANEXOS
Composición química Hastelloy X
Elemento Min Max
Molibdeno 8.00 10
Cromo 20.50 23
Hierro 17.00 20
Tungsteno 0.20 1
Cobalto 0.50 2.5
Carbón 0.05 0.015
Silicón -- 1
Manganeso -- 1
Boro -- 0.01
Fósforo -- 0.04
Sulfuro -- 0.03
Níquel Resto
El Hastelloy X es recomendable para el uso en aplicaciones de hornos porque tiene
buena resistencia a la oxidación, funciona en buenas condiciones durante 8700 horas a
1177 °C.
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
169
Gráficas DSC
Specific Heat°C Jg^-1°C^-124.96 1.5699.96 2.01174.96 1.45249.97 1.27324.97 0.90399.97 0.76474.98 1.82549.98 1.15624.98 0.92699.99 0.18
DSC Amazcala parte baja, 22.10.2004 13:05:04DSC Amazcala parte baja, 6.4800 mg
mW2
min
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Specific Heat DSC Amazcala parte bajaDSC Amazcala parte baja, 6.4800 mg
Jg^-1°C^-12
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
exo
SW 8.10eRTASCinv estav Querétaro: METTLER
Gráfica A. DSC de una muestra de Amazcala parte baja.
E = 2007.00 kJ = 557.500 Wh
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
170
? Specific Heat°C Jg^-1°C^-124.99 0.24100.00 2.37175.00 1.32250.00 1.09325.00 0.93400.00 0.97475.00 1.36550.00 1.50625.00 1.47
solana pte p/intermedia, 25.10.2004 11:25:23solana pte p/intermedia, 6.0900 mg
mW2
min
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Specific Heat solana pte p/intermediasolana pte p/intermedia, 6.0900 mg
Jg^-1°C^-12
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
exo
SW 8.10eRTASCinv estav Querétaro: METTLER
Gráfica B. DSC de una muestra de la Solana poniente parte intermedia.
Specific Heat°C Jg^-1°C^-124.95 0.8699.97 2.88174.99 1.34250.00 0.94325.02 0.59400.04 0.51475.05 1.11550.07 0.62625.09 0.15700.10 -0.76
solana pte p/superior, 25.10.2004 12:50:30solana pte p/superior, 13.1800 mg
mW5
min
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Specific Heat solana pte p/superiorsolana pte p/superior, 13.1800 mg
Jg^-1°C^-12
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
exo
SW 8.10eRTASCinv estav Querétaro: METTLER
Gráfica C. DSC de una muestra de la Solana poniente parte superior.
E = 1871.100 kJ = 519.750 Wh
E = 1474.200 kJ = 409.500 Wh
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
171
Specific Heat°C Jg^-1°C^-124.92 2.0599.93 2.14174.93 1.15249.94 0.97324.95 0.94399.95 0.95474.96 1.22549.96 0.88624.97 0.69699.98 0.28
solana pte p/baja, 25.10.2004 14:37:53solana pte p/baja, 8.5400 mg
mW2
min
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Specific Heat solana pte p/bajasolana pte p/baja, 8.5400 mg
Jg^-1°C^-12
°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
exo
SW 8.10eRTASCinv estav Querétaro: METTLER
Gráfica D. DSC de una muestra de la Solana poniente parte baja.
E = 1818.900 kJ = 505.250 Wh
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
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AGRADECIMIENTOS
HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA PARA EL COCIMIENTO DE TABIQUES DE ARCILLA
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer con aprecio a mi asesor Dr. Jorge Pineda Piñón por la atención y
orientación que me ha brindado para el desarrollo del presente proyecto.
También expreso mi agradecimiento a los miembros del Comité Tutorial, Dr. Gonzalo
Alonso Ramos López y Dr. Alejandro Castañeda Miranda, por sus valiosos
comentarios que me han ayudado mucho a enriquecer la calidad de este proyecto. Un
agradecimiento al Dr. Reynaldo Carlos Pless Elling por brindarme asesoría en la
redacción del artículo y en el desarrollo del proyecto, y a los doctores Martín de Jesús
Nieto Pérez e Iván Domínguez López por ser parte del jurado de mi examen de
grado.
También agradezco al Dr. Ángel Arvizu Zaragoza, M. en C. Marcial Piña Mancilla y
M. en C. Rubén Contreras Flores, por la aportación de sus conocimientos y
experiencia al inicio del proyecto. Muchas gracias a mis compañeros y amigos del
CICATA, así como docentes y administrativos, por su apoyo durante mis estudios de
doctorado.
Dedico este trabajo a mi esposa Margarita Lorena y a mi hijo Gabriel porque son el
impulso que me motiva a conseguir las metas que me propongo. También dedico este
trabajo a mis padres Gabriel y Aurora y a mis hermanos Armando y Elsa por su
apoyo moral y económico.