Desarrollo de un prototipo mecatrónico de seguidor solar parabólico para la edificación

Autor: Díaz Velilla, Jorge Pablo
Přispěvatelé: Morón Fernández, Carlos
Jazyk: Spanish; Castilian
Rok vydání: 2018
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Zdroj: Archivo Digital UPM
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Popis: La producción de energía desde la Revolución Industrial se ha centrado en el empleo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). De otra parte, las potencias emergentes (China, India y Brasil), deseosos de incrementar sus economías y replicando el modelo de crecimiento de países industrializados, son igualmente intensivos en el consumo de las anteriores materias primas. Ello genera indefectiblemente dos graves problemas: El progresivo agotamiento de yacimientos petrolíferos y de gas natural (vida estimada en 50 años) y de carbón (150 años). Las desaforadas emisiones de gases de efecto invernadero (CO2 y CH4) que van emparejadas a la quema de combustibles (partículas presentes en la atmósfera en concentraciones de 413 ppm, responsables ya de un incremento de 1ºC en la temperatura atmosférica). Es el tristemente conocido como cambio climático. Son muchísimas las actividades que el ser humano desarrolla, que generan esta insostenible contaminación medioambiental: amén de la producción energética “clásica”, son también responsables el transporte, fabricación de bienes de consumo, minería, telecomunicaciones, industrias alimenticias… y edificación. En efecto, se estima que en España es responsable del 33% de consumo de la energía anual generada (imputando la necesaria para fabricar materiales de construcción precisos para el sector y energía térmica y eléctrica empleada por hogares y edificio). Y dicho sector es responsable, con el actual “mix” energético nacional, del 30% de emisiones nocivas. A resultas de lo anterior parece imprescindible que las sociedades avanzadas inicien una transición hacia un modelo económico de crecimiento basado en el desarrollo sostenible, donde los dos pilares sean la eficiencia energética y las energías renovables. En añadidura, están apareciendo nuevos actores que cambiarán en las próximas décadas el paradigma energético a escala mundial: generación distribuida, edificios inteligentes, viviendas de consumo casi nulo y procesado masivo de datos. Un apasionante desafío para el futuro. De entre las tecnologías renovables, la energía solar en todas sus vertientes de aprovechamiento (térmica, fotovoltaica y de concentración), parte como una de las mejores candidatas para liderar el anterior desafío. Afortunadamente, las dos primeras ya son familiares en el sector edificación. La primera para producción de ACS, apoyo a calefacción, climatización de piscinas y frío solar por absorción. La segunda bien para generación de electricidad para autoconsumo, bien para inyección a red. Sin embargo, la solar de concentración hasta la fecha ha tenido una presencia poco significativa en viviendas y construcciones. Así, aun existiendo una base instalada de 50 plantas industriales termosolares ya operativas y elevada potencia (totalizando 2,3 GW en España) no hay casi dispositivos basados en energía solar de concentración adaptados a las necesidades energéticas de nuevas edificaciones. En añadidura, las actuales bases de datos de irradiancia solar se obtienen mediante radiómetros superficiales distribuidos por todo el país, junto a medidas indirectas de radiación reflejada sobre la superficie terrestre, integradas en algoritmos de interpolación de datos: aun siendo válidos, hay margen de mejora para confeccionar tablas de valores ad hoc. Al igual que los proyectos de investigación en robótica medioambiental existentes y de la confluencia de lo anterior, la presente Tesis Doctoral pretende diseñar, simular, fabricar, validar y experimentar con un prototipo mecatrónico de seguidor termosolar paraboloidal y cilindro-parabólico basado en Arduino, capaz de capturar y almacenar variables operativas y meteorológicas. En paralelo, se construirá una estación meteorológica ex profeso que servirá para establecer patrones de medida para las magnitudes que el primero mesure. Será necesario tener presente el estado actual de la tecnología en energía solar de concentración, el aprovechamiento de las propiedades ópticas de cónicas y cuádricas, la trigonometría esférica, los fundamentos de concentración solar y el seguimiento de trayectorias a uno y dos ejes. Todo ello con el objetivo específico de analizar la validez del prototipo como herramienta de adquisición de datos útiles para Técnicos e Ingenieros, tanto para mejorar las tablas de valores meteorológicos como para ser empleada como material formativo. Como objetivo general se puede fijar uno ambicioso: servir de modesta aportación a la comunidad científicotécnica de forma que se agilice la transferencia de conocimiento de la energía termosolar de concentración, desde las actuales plantas industriales al sector Edificación. ----------ABSTRACT---------- Energy production since the Industrial Revolution has focused on the use of fossil fuels (coal, oil and natural gas). On the other hand, the emerging powers (China, India and Brazil), eager to increase their economies and replicating the growth model of industrialized countries, are equally intensive in the consumption of previous raw materials. This inevitably creates two serious problems: The progressive depletion of oil and natural gas fields (estimated life of 50 years) and coal (150 years). The unbridled emissions of greenhouse gases (CO2 and CH4) that go hand in hand with the burning of fuels (particles present in the atmosphere in concentrations of 413 ppm, already responsible for an increase of 1ºC in atmospheric temperature). It is sadly known as climate change. There are a great many activities that people carry out that generate this unsustainable environmental pollution: in addition to "classic" energy production, transport, the manufacture of consumer goods, mining, telecommunications, the food industry... and building are also responsible. In fact, it is estimated that in Spain it is responsible for 33% of the annual energy consumption generated (imputed to the energy needed to manufacture precise building materials for the sector and thermal and electrical energy used by households and buildings). And this sector is responsible, with the current national energy mix, for 30% of harmful emissions. As a result, it seems imperative that advanced societies begin a transition to an economic model of growth based on sustainable development, where the two pillars are energy efficiency and renewable energy. In addition, new players are emerging that will change the global energy paradigm in the coming decades: distributed generation, intelligent buildings, near-zero consumption housing and massive data processing. An exciting challenge for the future. Among renewable technologies, solar energy in all its aspects (thermal, photovoltaic and concentration) is one of the best candidates to lead the previous challenge. Fortunately, the first two are already familiar in the building sector. The first one is for DHW production, heating support, swimming pool heating and solar absorption cooling. The second one is either for electricity generation for self-consumption or for injection into the grid. However, the concentration site to date has had a negligible presence in homes and buildings. Thus, even though there is an installed base of 50 solar thermal industrial plants already in operation and high power (totalling 2.3 GW in Spain), there are almost no devices based on concentrated solar energy adapted to the energy needs of new buildings. In addition, the current solar irradiance databases are obtained by means of surface radiometers distributed throughout the country, together with indirect measurements of reflected radiation on the earth's surface, integrated into data interpolation algorithms: although they are valid, there is room for improvement in order to draw up tables of ad hoc values. As with the existing research projects in environmental robotics and the confluence of the above, this Doctoral Thesis aims to design, simulate, manufacture, validate and experiment with a mechatronic prototype of a paraboloidal and parabolic trough solar thermal tracker based on Arduino, capable of capturing and storing operational and meteorological variables. At the same time, a meteorological station will be built specifically for the purpose of establishing measurement standards for the magnitudes measured on the first measurement. It will be necessary to take into account the current state of the art in concentrating solar energy technology, the use of conical and quadric optical properties, spherical trigonometry, the fundamentals of solar concentration and the tracking of single and dual-axis trajectories. All this with the specific objective of analysing the validity of the prototype as a tool for acquiring useful data for technicians and engineers, both to improve the meteorological value tables and to be used as training material. As a general objective, an ambitious one can be set: to serve as a modest contribution to the scientific-technical community in order to speed up the transfer of knowledge of concentrated solar thermal energy from current industrial plants to the Building sector.
Databáze: OpenAIRE
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