diseño y construccion de un prototipo de horno solar de alta ...

IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE
ENERGÍA SOLAR
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA
TEMPERATURA
Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Pérez, Jesús Rubio Cáceres
Facultad de Ciencias Químicas Física y Matemáticas, UNSAAC

INTRODUCCION
Uno de los factores que contribuye notablemente a la
contaminación atmosférica es la producida por las fabricas de
materiales de construcción y hornos artesanales, estos hornos
convencionales utilizan grandes cantidades de leña y otros
insumos que contaminan el medio ambiente.
Este trabajo consiste en el DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN
PROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA
(CASQUETE ESFERICO), orientado a la obtención de materiales
de construcción y al estudio de materiales cerámicos

OBJETIVOS GENERALES
Diseñar y construir un prototipo de casquete de
horno solar de alta temperatura
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Estudio de materiales
Plantear y proponer un sistema de
automatización de seguimiento del Sol.

Horno Solar de Odeillo que se encuentra en el Departamento de los Pirineos Orientales al sur de
Francia y que está considerado el mayor horno solar del mundo, con una potencia de 1000 kW y
debe su renombre mundial a su especialización en investigación de la concentración de la
radiación solar y del comportamiento de los materiales sometidos a condiciones de temperatura
extrema.

DISEÑO DEL CONCENTRADOR SOLAR DE ALTA TEMPERATURA
Primeramente realizaremos un repaso sobre las ecuaciones matemáticas
de la parábola y el paraboloide.
La ecuación de una parábola cuyo eje es vertical es de la forma
La ecuación de una parábola cuyo eje es horizontal es de la forma
Ecuación involucrando la distancia focal
Ecuación de una parábola vertical.
La ecuación de una parábola con vértice
en (0,0) y foco en (0,p) es
PARABOLOIDE ELÍPTICO

y (m)
5.00
4.80
4.60
4.40
4.20
4.00
3.80
3.60
3.40
3.20
3.00
2.80
2.60
2.40
2.20
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
PERFIL DEL PROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA
y = 0.06x 2
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.20 4.40 4.60 4.80
x (m)

y (m)
DIMENSIONES DE LA PARABOLA DE REVOLUCION QUE GENERA UN PARABOLOIDE
7.00
6.00
y = 0.0625x 2
5.00
4.00
Foco
3.00
2.00
1.00
0.00
-10.00 -9.00 -8.00 -7.00 -6.00 -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10
x (m)

DISEÑO DE UN SECTOR O TIRA DE ESPEJO SEMIDOBLE
•El trapecio isósceles adquiere la forma (perfil) de una parábola, que debido
a su características refleja todos los rayos en un solo punto, concentrándose
de esta forma la energía solar en un punto o en un área pequeña. Esto
permite multiplicar la energía solar que a su vez permite alcanzar altas
temperaturas en el foco.
sectores de superficie reflectante en base de espejos de uso comercial
La figura geométrica de cada área es de un trapecio isósceles
La rigidez del espejo de vidrio, varia cuando los lados no paralelos del
trapecio isósceles es mucho mayor que los lados paralelos.
C=2.40 m
H=0.19m
H=0.19m
L
C=2.40 m

DETERMINACIÓN DE LA RADIACION CONCENTRADA EN EL FOCO
Para determinar este incremento se emplea el principio de
conservación de la energía: E Cons tante
La energía que llega del Sol hacia el concentrador es E1 , y la
energía que se refleja de las superficie hacia el foco es E2 , sin
embargo por tratarse de un fenómeno real, existe perdidas debido
a la interacción de la energía con la materia, es decir, esta perdida
se produce cuando la luz solar incide sobre el espejo y luego se
refleja.
Teóricamente se debe cumplir: E1 E 2
Experimentalmente: E 1
E 2
E x
Donde es la energía que se pierde en la interacción.
E x
2 1
P
1. t P2
. t I1At
1
I2A2t
La relación de áreas nos permite determinar la relación de
incremento de la intensidad de radiación y asimismo de la potencia.
La relación obtenida en este proyectos es:
I1
A2
I A
2
1
I
I
1
A
A
2

35000 40x40=1600 21.9
La relación de áreas nos permite determinar la relación de incremento de la
intensidad de radiación y asimismo de la potencia. Esta proporción determina
el nivel de concentración que se puede dar en el foco de la parábola. El área A 1
aproximada es de 3.50 m 2 , en la siguiente tabla podemos ver el nivel de
concentración de acuerdo a diferentes valores que se le puede dar al área A 2
.
A 1 (cm 2 ) A 2 (cm 2 ) C=A 1 / A 2
35000 10x10 =100 350.0
35000 20x20=400 87.5
35000 30x30=900 38.9

CONSTRUCCION DEL EQUIPO
A continuación se tienen algunas fotografías del
proceso de construcción del prototipo de horno solar.
Foto 1. Soldadura de la estructura metálica que cumplirá
la función de soporte de los espejos.

Foto 2. Verificando la distancias entre los soportes del concentrador solar

Foto 3. Estructura metálica terminada
Foto 3. Estructura metálica terminada

INSTALACION DEL PROTOTIPO
Foto 4.- Colocación de los tiras de espejos sobre la estructura

Foto 5. Pegado de los espejos con cinta adhesiva (de embalaje) para
asegurar su posición a la estructura metálica y entre ellos.

PROCESO EXPERIMENTAL
Parte de las pruebas se hicieron en el patio del pabellón “C” delaUNSAAC
Foto 6. Se observa la incidencia de la luz solar concentrada sobre un objeto de prueba (madera
de 40 cmx 40 cmx 1 cm) a la altura del foco del prototipo de horno solar de alta temperatura.

Foto 7. Al inicio (2 minutos) se observa un ligero
humo en la tabla ubicada en el foco

PRUEBA EXPERIMENTAL
MEDICION DIRECTA DE LA TEMPERATURA EN EL FOCO DEL
CONCENTRADOR
- La temperatura se midió utilizando un termómetro LASER PCE
550, se pudo realizar la medición de la temperatura en el foco del
horno solar, pues un requisito es apuntar perpendicularmente
sobre la madera para obtener una señal de retorno sobre el
termómetro LASER. (Tabla 3.1)
MEDICION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION
- La radiación de la luz solar se ha medido sobre la superficie a
un costado del horno
solar. (Tabla 3.1)

MEDICION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION
- La radiación de la luz solar se ha medido sobre la superficie a un costado del horno
solar. (Tabla 1)
Tabla 1
HORA RADIACION (W/m 2 ) TEMPERATURA (°C)
12:07 73.4 125
12:34 80.3 60
12:40 766 70
12:45 768 60
12:53 770 120
12:55 770 170
12:57 660 180
1:06 654 220
1:07 658 235
1:08 664 240
1:11 726 250
1:12 714 252

INTENSIDAD DE RADIACIÓN SOLAR (W/m2)
INTENSIDAD DE RADIACION SOLAR EN FUNCION DEL TIEMPO
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
12:07 12:34 12:40 12:45 12:53 12:55 12:57 01:06 01:07 01:08 01:11 01:12
HORA (pm)

TEMPERATURA EN EL FOCO (°C)
TEMPERATURA EN EL FOCO EN FUNCION DEL TIEMPO
300
250
200
150
100
50
0
12:07 12:34 12:40 12:45 12:53 12:55 12:57 01:06 01:07 01:08 01:11 01:12
HORA (pm)

IMPACTO AMBIENTAL
El impacto ambiental es prácticamente nulo, la energía solar no produce
desechos, ni residuos, basura, humos, polvos, vapores, ruidos, olores, etc.
ESTUDIO DE COSTOS
Una vez realizada la instalación y hecha la inversión inicial, no se originan
gastos posteriores (a excepción del mantenimiento); el consumo de energía es
totalmente gratuito; no utiliza combustibles, eliminando la incomodidad de tener
que aprovisionarse y el peligro de su almacenamiento.
ESTUDIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES
Los materiales en estos hornos están hechos de una estructura de fierro que
es muy resistente al calor al igual que los espejos.
COMPARACION CON HORNOS CONVENCIONALES
El Horno Solar principalmente no contamina el medio ambiente, ahorra
energía, no produce residuos y su fabricación es de bajo costo.

A continuación tenemos algunas fotos en donde se puede apreciar la capacidad de
concentración del prototipo de horno solar de alta temperatura.
Foto 2. Se puede observar que la radiación solar se concentra en un área
relativamente pequeña provocando el quemado del extremo superior del listón
de madera

Foto 3. Vista de prototipo del horno solar de alta temperatura

IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE
ENERGÍA SOLAR
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA
TEMPERATURA
Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Pérez, Jesús Rubio Cáceres
Facultad de Ciencias Químicas Física y Matemáticas, UNSAAC

OTROS PROYECTOS DESARROLADOS POR EL GRUPO DE LA
UNSAAC
AEROBOMBA, COMUNIDAD CAMPESINA DE CHACACURQUI-ANTA

MANTENIMIENTO
Chacacurqui Anta

TERMA SOLAR TIPO SERPENTIN

COLECTORES SOLARES
TUBERIA DE COBRE
MANGUERA EN
ESPIRAL

Foto 3.- Colector tipo caja, este prototipo esta actualmente en prueba.

GRACIAS
UNSAAC