Estudio de un Motor Stirling con Absorbedor Interno Alimentado con Energía Solar

Abstract

La importancia de la energía desde un punto de vista socioeconómico es indiscutible, siendo la energía solar una de las fuentes renovables más atractiva e interesante. Dentro de las múltiples aplicaciones del motor Stirling, cabe destacar su empleo en instalaciones solares de concentración (CSP - Sistemas Dish Stirling), donde se ha demostrado que el diseño del mismo juega un papel relevante en la producción de energía eléctrica. En este trabajo se ha realizado un análisis térmico del diseño propuesto por Isshiki Naotsugu, para su potencial aplicación en los sistemas CSP basados en el motor Stirling. Se ha llevado a cabo un modelado del comportamiento térmico y de flujo para un motor Stirling tipo Beta dispuesto con un recibidor compuesto por una ventana de cuarzo con absorbedor interno para su aplicación en sistemas Dish Stirling. Primeramente, se ha estudiado la influencia de la pantalla porosa respecto al uso exclusivo de las superficies de la cámara de expansión del motor como absorbedor, obteniéndose una mayor eficiencia en el primer caso. A continuación, se han estudiado distintos tipos de absorbedores internos. El sistema más eficiente de los 5 tipos estudiados corresponde a la malla de 40 μm y 0,75 de porosidad. Con el objeto de simular el comportamiento del sistema en condiciones más próximas al funcionamiento real, se ha realizado el estudio en COMSOL Multiphysics a través del cual, se han obtenido los parámetros de velocidad y temperatura a lo largo de un dominio, creado para simular su comportamiento como recibidor en el motor Stirling solar. Los campos de velocidad y temperatura obtenidos han avalado el estudio térmico realizado sobre la tipología de recibidor estudiado. Se han analizado las irreversibilidades en el modelo de motor propuesto, que afectan al rendimiento del mismo. Las pérdidas más importantes tienen lugar en el regenerador, seguido del intercambiador de compresión. Se ha propuesto la optimización del sistema de enfriamiento del fluido de trabajo, mediante el uso de nanofluidos portadores de calor. Estos materiales poseen conductividades superiores a los fluidos convencionales, aunque su utilización está menos extendida debido a la complejidad para caracterizar sus propiedades termofísicas y de flujo. Con estos fluidos se puede incrementar la eficiencia en el proceso de transferencia de calor hasta el 60%, suponiendo un ahorro en la potencia de bombeo. Finalmente se exponen los resultados alcanzados y se contrastan con otros tipos de recibidores ya implementados, concluyendo que su mayor eficiencia hace aconsejable su instalación en latitudes con irradiación solar superior a 2000 kWh/m2 anual.