Esta es un versión antigua publicada el 2023-03-31. Consulte la versión más reciente.

Design and construction of a solar tracking system for parabolic-trough collector prototype

Diseño y Construcción de un Sistema de Seguimiento Solar para un Prototipo de Colector Cilindro-Parabólico

Autores/as

Brayan Eduardo Tarazona-Romero Unidades Tecnológicas de Santander https://orcid.org/0000-0001-6099-0921
Arly Darío Rincón Quintero Unidades Tecnológicas de Santander https://orcid.org/0000-0002-4479-5613
Javier Gonzalo Ascanio Villabona Unidades Tecnológicas de Santander https://orcid.org/0000-0003-1749-5399
Camilo Leonardo Sandoval Rodriguez Unidades Tecnológicas de Santander https://orcid.org/0000-0001-8584-0137

DOI:

https://doi.org/10.22517/23447214.24792

Palabras clave:

Control Algorithm, Control Systems, Parabolic-Trough Collector, Solar Collector, Solar Concentration.

Resumen

La búsqueda de alternativas tecnológicas para satisfacer diversas necesidades globales, ha desencadenado un arduo proceso de investigación y desarrollos tecnológicos a nivel mundial para el aprovechamiento de los recursos renovables. Por su parte, los colectores lineales cilindro-parabólicos, han demostrado ser una alternativa para realizar el proceso de calentamiento de agua y para la producción de energia eléctrica. Por su parte, el grupo de investigación en sistemas de energia, automatización y control (GISEAC) de las unidades Tecnológicas de Santander, desarrollo un prototipo de colector Cilindro-Parabólico con materiales de bajo coste y disponibles en la región (Bucaramanga, Colombia). En consecuente, para mejorar el rendimiento del dispositivo, en este documento se presenta el dimensionamiento, implementacion y testeado de un sistema de seguimiento de trayectoria solar en un solo eje, en un colector Cilindro-Parabólico a pequeña escala, aplicando un sistema de control de lazo cerrado. El sistema de control está gobernado por un sistema integrado por un módulo ESP32 y un microcontrolador Raspberry PI3. El eje del dispositivo esta acoplado a un mecanismo compuesto por un sistema de transmisión de engranajes y cadenas, acoplado directamente a un motor eléctrico. El posicionamiento del Angulo del colector está determinado por un sensor que mide directamente la cantidad de LUX e identifica por medio del algoritmo desarrollado, la ubicación con mayores niveles de radiación solar directa incidente. De esta manera, el sistema puede seguir la posición solar durante todo el transcurso del día solar. Finalmente, se puede resaltar que el porcentaje máximo de desviación del sistema de seguimiento solar, es inferior al 1%. A su vez, el rendimiento del sistema de seguimiento de trayectoria solar implementado “Sistema de seguimiento solar Automático”, aumento en un porcentaje superior al 40 % respecto al sistema de seguimiento inicial “Sistema de seguimiento solar manual”.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

[1] V. K. Jebasingh y G. M. J. Herbert, “A review of solar parabolic trough collector”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 54, pp. 1085–1091, feb. 2016, doi: 10.1016/j.rser.2015.10.043.
[2] B. G. Miller, “14 - Emerging Technologies for Reduced Carbon Footprint”, en Clean Coal Engineering Technology (Second Edition), B. G. Miller, Ed. Butterworth-Heinemann, 2017, pp. 669–689. doi: 10.1016/B978-0-12-811365-3.00014-4.
[3] A. Z. Hafez et al., “Design analysis of solar parabolic trough thermal collectors”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 82, pp. 1215–1260, feb. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2017.09.010.
[4] Y. Tripanagnostopoulos, “3.08 - Photovoltaic/Thermal Solar Collectors”, en Comprehensive Renewable Energy, A. Sayigh, Ed. Oxford: Elsevier, 2012, pp. 255–300. doi: 10.1016/B978-0-08-087872-0.00308-5.
[5] A. Herez, H. El Hage, T. Lemenand, M. Ramadan, y M. Khaled, “Review on photovoltaic/thermal hybrid solar collectors: Classifications, applications and new systems”, Solar Energy, vol. 207, pp. 1321–1347, sep. 2020, doi: 10.1016/j.solener.2020.07.062.
[6] R. Kumar y M. A. Rosen, “A critical review of photovoltaic–thermal solar collectors for air heating”, Applied Energy, vol. 88, núm. 11, pp. 3603–3614, nov. 2011, doi: 10.1016/j.apenergy.2011.04.044.
[7] K. Lovegrove y J. Pye, “Chapter 2 - Fundamental principles of concentrating solar power systems”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 19–71. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00013-X.
[8] K. Lovegrove y W. Stein, “Chapter 1 - Introduction to concentrating solar power technology”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 3–17. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00012-8.
[9] B. E. Tarazona-Romero, Á. Campos-Celador, Y. A. Muñoz-Maldonado, C. L. Sandoval-Rodríguez, y J. G. Ascanio-Villabona, “Prototype of lineal solar collector Fresnel: Artisanal system for the production of hot water and/or water vapor”, Vis. Electron., vol. 14, núm. 1, Art. núm. 1, ene. 2020, doi: 10.14483/22484728.16013.
[10] B. E. Tarazona-Romero, A. Campos-Celador, Y. A. Muñoz-Maldonado, J. G. Ascanio-Villabona, M. A. Duran-Sarmiento, y A. D. Rincón-Quintero, “Development of a Fresnel Artisanal System for the Production of Hot Water or Steam”, en Recent Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, Cham, 2021, pp. 196–209. doi: 10.1007/978-3-030-72212-8_15.
[11] W.-D. Steinmann, “Chapter 11 - Thermal energy storage systems for concentrating solar power plants”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 399–440. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00008-6.
[12] H. Price et al., “Chapter 20 - Concentrating solar power best practices”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 725–757. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00020-7.
[13] P. V. Gharat, S. S. Bhalekar, V. H. Dalvi, S. V. Panse, S. P. Deshmukh, y J. B. Joshi, “Chronological development of innovations in reflector systems of parabolic trough solar collector (PTC) - A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 145, p. 111002, jul. 2021, doi: 10.1016/j.rser.2021.111002.
[14] E. Z. Moya, “7 - Parabolic-trough concentrating solar power (CSP) systems”, en Concentrating Solar Power Technology, K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2012, pp. 197–239
. doi: 10.1533/9780857096173.2.197.
[15] E. Z. Moya, “Chapter 7 - Parabolic-trough concentrating solar power systems”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 219–266. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00009-8.
[16] E. Zarza-Moya, “7 - Concentrating Solar Thermal Power”, en A Comprehensive Guide to Solar Energy Systems, T. M. Letcher y V. M. Fthenakis, Eds. Academic Press, 2018, pp. 127–148. doi: 10.1016/B978-0-12-811479-7.00007-5.
[17] G. Barone, A. Buonomano, C. Forzano, y A. Palombo, “Chapter 6 - Solar thermal collectors”, en Solar Hydrogen Production, F. Calise, M. D. D’Accadia, M. Santarelli, A. Lanzini, y D. Ferrero, Eds. Academic Press, 2019, pp. 151–178. doi: 10.1016/B978-0-12-814853-2.00006-0.
[18] C. B. Anfinsen, “Solar Energy”, Science, vol. 192, núm. 4236, pp. 202–202, abr. 1976, doi: 10.1126/science.192.4236.202.
[19] M. U. H. Joardder, P. K. Halder, M. A. Rahim, y M. H. Masud, “Chapter Eight - Solar Pyrolysis: Converting Waste into Asset Using Solar Energy”, en Clean Energy for Sustainable Development, M. G. Rasul, A. kalam Azad, y S. C. Sharma, Eds. Academic Press, 2017, pp. 213–235. doi: 10.1016/B978-0-12-805423-9.00008-9.
[20] M. Malekan, A. Khosravi, y M. El Haj Assad, “Chapter 6 - Parabolic trough solar collectors”, en Design and Performance Optimization of Renewable Energy Systems, M. E. H. Assad y M. A. Rosen, Eds. Academic Press, 2021, pp. 85–100. doi: 10.1016/B978-0-12-821602-6.00007-9.
[21] J. Fredriksson, M. Eickhoff, L. Giese, y M. Herzog, “A comparison and evaluation of innovative parabolic trough collector concepts for large-scale application”, Solar Energy, vol. 215, pp. 266–310, feb. 2021, doi: 10.1016/j.solener.2020.12.017.
[22] S. Toghyani, E. Baniasadi, y E. Afshari, “Thermodynamic analysis and optimization of an integrated Rankine power cycle and nano-fluid based parabolic trough solar collector”, Energy Conversion and Management, vol. 121, pp. 93–104, ago. 2016, doi: 10.1016/j.enconman.2016.05.029.
[23] R. Silva, M. Pérez, M. Berenguel, L. Valenzuela, y E. Zarza, “Uncertainty and global sensitivity analysis in the design of parabolic-through direct steam generation plants for process heat applications”, Applied Energy, vol. 121, pp. 233–244, may 2014, doi: 10.1016/j.apenergy.2014.01.095.
[24] R. V. Padilla, A. Fontalvo, G. Demirkaya, A. Martinez, y A. G. Quiroga, “Exergy analysis of parabolic trough solar receiver”, Applied Thermal Engineering, vol. 67, núm. 1, pp. 579–586, jun. 2014, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.03.053.
[25] S. Peng, H. Hong, H. Jin, y Z. Zhang, “A new rotatable-axis tracking solar parabolic-trough collector for solar-hybrid coal-fired power plants”, Solar Energy, vol. 98, pp. 492–502, dic. 2013, doi: 10.1016/j.solener.2013.09.039.
[26] Natraj, B. N. Rao, y K. S. Reddy, “Wind load and structural analysis for standalone solar parabolic trough collector”, Renewable Energy, vol. 173, pp. 688–703, ago. 2021, doi: 10.1016/j.renene.2021.04.007.
[27] S. A. Kalogirou, “A detailed thermal model of a parabolic trough collector receiver”, Energy, vol. 48, núm. 1, pp. 298–306, dic. 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.06.023.
[28] F. I. Nascimento, E. W. Zavaleta-Aguilar, y J. R. Simões-Moreira, “Algorithm for sizing parabolic-trough solar collectors”, Thermal Science and Engineering Progress, p. 100932, abr. 2021, doi: 10.1016/j.tsep.2021.100932.
[29] W. Qu, R. Wang, H. Hong, J. Sun, y H. Jin, “Test of a solar parabolic trough collector with rotatable axis tracking”, Applied Energy, vol. 207, pp. 7–17, dic. 2017, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.05.114.
[30] Y. Yao, Y. Hu, S. Gao, G. Yang, y J. Du, “A multipurpose dual-axis solar tracker with two tracking strategies”, Renewable Energy, vol. 72, pp. 88–98, dic. 2014, doi: 10.1016/j.renene.2014.07.002.
[31] G. C. Bakos, “Design and construction of a two-axis Sun tracking system for parabolic trough collector (PTC) efficiency improvement”, Renewable Energy, vol. 31, núm. 15, pp. 2411–2421, dic. 2006, doi: 10.1016/j.renene.2005.11.008.
[32] M. S. Al-Soud, E. Abdallah, A. Akayleh, S. Abdallah, y E. S. Hrayshat, “A parabolic solar cooker with automatic two axes sun tracking system”, Applied Energy, vol. 87, núm. 2, pp. 463–470, feb. 2010, doi: 10.1016/j.apenergy.2009.08.035.
[33] W. Schiel y T. Keck, “Chapter 9 - Parabolic dish concentrating solar power systems”, en Concentrating Solar Power Technology (Second Edition), K. Lovegrove y W. Stein, Eds. Woodhead Publishing, 2021, pp. 311–355. doi: 10.1016/B978-0-12-819970-1.00007-4.
[34] C. Chang, “5 - Tracking solar collection technologies for solar heating and cooling systems”, en Advances in Solar Heating and Cooling, R. Z. Wang y T. S. Ge, Eds. Woodhead Publishing, 2016, pp. 81–93. doi: 10.1016/B978-0-08-100301-5.00005-9.
[35] D. Sakthivadivel, K. Balaji, D. Dsilva Winfred Rufuss, S. Iniyan, y L. Suganthi, “Chapter 1 - Solar energy technologies: principles and applications”, en Renewable-Energy-Driven Future, J. Ren, Ed. Academic Press, 2021, pp. 3–42. doi: 10.1016/B978-0-12-820539-6.00001-7.

Descargas

Vistas(Views):

PDF Descargas(Downloads): 168

Publicado

2023-03-31

Versiones

Cómo citar

Tarazona-Romero, B. E., Rincón Quintero , A. D. ., Ascanio Villabona, J. G. ., & Sandoval Rodriguez, C. L. (2023). Design and construction of a solar tracking system for parabolic-trough collector prototype: Diseño y Construcción de un Sistema de Seguimiento Solar para un Prototipo de Colector Cilindro-Parabólico. Scientia Et Technica, 28(01), 6–14. https://doi.org/10.22517/23447214.24792

Descargar cita

Número

Vol. 28 Núm. 01 (2023): Enero-Marzo 2023

Sección

Eléctrica

Licencia

Derechos de autor 2023 Scientia et Technica

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.

Derechos de autor y licencias

La revista es de acceso abierto gratuito y sus artículos se publican bajo la licencia Creative Commons Atribución/Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo los mismos términos 4.0 Internacional — CC BY-NC-SA 4.0.

Los autores de un artículo aceptado para publicación cederán la totalidad de los derechos patrimoniales a la Universidad Tecnológica de Pereira de manera gratuita, teniendo en cuenta lo siguiente: En caso de que el trabajo presentado sea aprobado para su publicación, los autores deben autorizar de manera ilimitada en el tiempo, a la revista para que pueda reproducirlo, editarlo, distribuirlo, exhibirlo y comunicarlo en cualquier lugar, ya sea por medios impresos, electrónicos, bases de datos, repositorios, discos ópticos, Internet o cualquier otro medio requerido.

Los cedentes mediante contrato CESIÓN DE DERECHOS PATRIMONIALES declaran que todo el material que forma parte del artículo está totalmente libre de derechos de autor de terceros y, por lo tanto, se hacen responsables de cualquier litigio o reclamación relacionada o reclamación relacionada con derechos de propiedad intelectual, exonerando de toda responsabilidad a la Universidad Tecnológica de Pereira (entidad editora) y a su revista Scientia et Technica. De igual forma, los autores aceptan que el trabajo que se presenta sea distribuido en acceso abierto gratuito, resguardando los derechos de autor bajo la licencia Creative Commons Atribución/Reconocimiento-No Comercial- Compartir bajo los mismos términos 4.0 Internacional — CC BY-NC-SA 4.0.

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

A los autores, la revista Scientia et Technica tiene la obligación de respetarle los derechos morales (artículo 30 de la Ley 23 de 1982 del Gobierno Colombiano) que se les debe reconocen a estos la paternidad de la obra, el derecho a la integridad y el derecho de divulgación. Estos no se pueden ceder ni renunciar.