martes, 10 de diciembre de 2013

Concentrador solar y motor Stirling, hacia la integración biológica. Stirling engine solar concentrator and toward biological integration. Stirlingmotor Solar.

Concentrador solar y motor Stirling, hacia la integración biológica.
Stirling engine solar concentrator and toward biological integration. 

Stirlingmotor Solar-Konzentrator und hin zu biologischen Integration.

El problema de la energía en el sistema económico es basado en que todo el desarrollo se ha basado en su utilización excesiva.
Por un lado es necesario establecer cuales son las necesidades reales de energía, por otro encontrar las fuentes adecuadas que no rompan el equilibrio biológico del planeta. El humano no tiene la capacidad de regenerar daños ambientales a gran escala, entonces debe tratar con cuidado al planeta.
Los combustibles fósiles proveen gran cantidad de energía en poco volumen, pero producen daños ambientales enormes. Por otra parte están en gradual extinción.
Una fuente de energía directa y económica es la solar. Haciendo una estimación por persona , se requiere una cantidad de 4 kW-Hora diarios, en general, pero ese valor es susceptible de ser modificado por cuestiones relacionadas a las cargas que pueden adaptarse, de manera  tal de requerir una cantidad de energía sustancialmente menor.
La energía solar difiere según la latitud. En el caso de Cuba, el el punto más favorable, se puede alcanzar 5 kW-Hora diarios, por metro cuadrado. Ello a partir de 400W/ m2 en promedio diario.
Una vivienda de tres o 4 personas puede satisfacer sus necesidades ampliamente con esa energía. No hablo por ahora de la energía de refrigeración o calefacción , porque hay cuestiones que analizar. Actualmente se usan sistemas muy incoherentes en esas funciones, lo que implica que se puede obtener igual resultado con menos energía.
Las celdas solares han demostrado ser muy caras. Por ello no se han impuesto , pese a transformar directamente el calor en energía eléctrica.
Funciones donde la energía térmica se usa directamente ya tienen numerosos productos diseñados al respecto: calefones eléctricos, cocinas solares, concentradores solares, depósitos de agua caliente, que se usan como economizadores de energía, etc.
El problema vigente es el de transformar el calor en energía mecánica, que a su vez se puede transformar en energía eléctrica. Con energía eléctrica se resuelve la totalidad de funciones requeridas diariamente.

El motor Stirling
Este motor proviene del desarrollo efectuado en 1816 por Robert Stirling, con la finalidad de competir con el motor de vapor.
Este motor requiere una fuente de calor , para obtener energía mecánica en el eje. Su rendimiento es óptimo, aproximándose al ciclo ideal de Carnot.
El conjunto recibe por un lado, energía térmica, por otro, en su salida, obtiene energía mecánica que  puede acoplarse a un generador eléctrico. En definitiva es el dispositivo que con menos complejidad permite transformar calor en electricidad.
No es extraño entonces que se haya ideado acumuladores de calor solar apuntando directamente a  motores Stirling.
Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc.

Una fuente por cada vivienda.
Es posible entonces tener un generador en cada vivienda, evitando el transporte de energía que en sí, produce pérdidas en ese proceso.
Un concentrador solar es un dispositivo en forma de cono trunco con sus bases abiertas, hecho con metal, puede ser chapa de acero o galvanizado. Es capaz de concentrar sol en un punto focal elevando  la temperatura local hasta 1200 grados. Incluso hay aplicaciones donde se lo usa para fundir ciertos metales.
 La aplicación directa hace que un concentrador esté enfocado en el punto de recepción de calor de un motor Stirling. De esta manera se evitan intermediarios, constituyendo un sistema efectivo de conversión de energía térmica  a mecánica.
El rendimiento de un motor Stirling es aproximadamente 30 %.  O sea que si se aplica una fuente de calor de 5 kW-Hora diarios, se obtiene 1,5 kW-Hora diario, por metro cuadrado de captación solar.  Con un concentrador de 6 m2 se obtiene entonces 9kW-Hora diario.
Con optimización del consumo , se satisface las necesidades diarias de una vivienda.


La transformación en energía eléctrica
A partir de la energía mecánica obtenida en el motor Stirling, se convierte en energía eléctrica de continua, por medio de un dínamo que la almacena en baterías. El proceso de conversión a tensión alternada es posterior, en un conversor u ondulador, que por un lado la transforma en pulsos y por otro determina el valor final de pico de la senoide de tensión.
pese a que este proceso insume algo de energía , es posible pensar en alimentar cargas directamente en tensión continua, para lo cual no es necesaria la conversión.
En definitiva, todos los dispositivos electrónicos trabajan en continua, solamente que el hecho de poseer en las viviendas tensión alterna implica que la misma debe ser transformada a tensión continua. Entonces si poseemos tensión continua, para qué volverla a alterna? Lo lógico es alimentar directamente los equipos en continua.
Equipos de radio, televisores, computadoras, etc. son factibles de ser alimentados en continua. Equipos como ventiladores podrían ser adaptados, cambiando el diseño  a motor de continua. De igual manera refrigeradores. Se debería evaluar el cambio motor de alterna a continua, en un análisis económico, puesto que la conversión a alterna pierde energía, pero los motores de continua tradicionalmente eran más caros que los de alterna.

Integración con otras fuentes, optimización de cargas.
Este es un medio de captación de energía importante. Hay otros que no alteran el ambiente como la energía geotérmica solar, sobre la cual he efectuado varios artículos. La geotérmica solar es apta especialmente para refrigerar o calefacción, en forma directa, sin necesidad de  conversión de calor a mecánica y luego a eléctrica. En ese sentido, una de las cargas más importantes de una vivienda pueden satisfacerse por este camino.
Como he explicado en otros artículos , hay que enfrentarse al problema real óptimo y no al  aceptado en el esquema  de mercado. Se ha aceptado cargas incoherentes con el criterio de aplicar energía en exceso porque se disponía de ella. Es el caso de los acondicionamientos en viviendas, edificios, hasta dispositivos de refrigeración industrial.
La aislación térmica es fundamental como elemento de adecuación de la carga para disminuir la energía necesaria de aplicación. Es usual aceptar realizar balances térmicos en habitaciones sin ninguna aislación térmica, con vidrios directamente en contacto con el exterior y con puertas sin aislación. La aislación tiene un costo, pero también es un tema sobre el cual el sistema de mercado no ha puesto atención. Es posible usar aislación con materiales económicos logrando disminuir la carga térmica requerida.
En otros casos es necesario optimizar los diseños. Diseños incoherentes como los edificios en altura deben ser prohibidos, debiendo superar una reglamentación de diseño basada en criterios de energía por sobre los criterios "estéticos".
Casos como las zonas de dormir, son posibles de redefinir conceptualmente. En esas zonas las personas están quietas, durante muchas horas. Podemos imaginar la habitación acercando sus paredes hasta un mínimo alrededor de la persona dormida.
Ese concepto lo he aplicado en mis diseños de sala de dormir en ambiente controlado. Es un sector solamente destinado a dormir, sin muebles, solamente una cama. El espacio es solo un pequeño paso alrededor de la cama. Ello logra un ambiente con costo mínimo de aislación, mínimas pérdidas ( que son proporcionales al material y la superficie de contacto), y posibilidades de tratamiento del aire impensadas en otros esquemas. Se logra así, ventilación automática, tratamiento de temperatura, de humedad, germicida, ionizador, tratamiento de otros parámetros como audio e iluminación, etc. que permiten generar ambientes "predispuestos" para inducir no solo sueño sino estados de calma, meditación y programación mental.
Es interesante explorar temas como la conversión directa de calor en frío, con el principio de absorción, tomando calor solar y actuando sobre sustancias como el Bromuro de Litio, que permiten extraer calor luego de cambios producidos al inyectar calor al sistema.
Diseños con cubiertas de techo con este sistema incorporado serían muy valorados.

Un sistema adaptable con el ambiente
Se  puede observar a grandes rasgos que todo esto configura una autoadaptación de la vivienda para lograr transformar energía natural en energía que requiere internamente  , pero en otra forma. Desde ese punto de vista estamos frente a casas adaptables , en equilibrio con el ambiente, que no toman más que lo que se obtiene naturalmente, no producen desechos ni contaminan. Entiendo que es la visión inteligente del desarrollo social humano que lo integra con aquello que no puede modificar sin generar consecuencias.
Referencias
Energía Solar - EcuRed
El motor de Stirling
Heat Engines; Energy Fundamentals by R. Snurr and D. Freude
Stirling engine - Transformační technologie
Wie arbeitet der Stirlingmotor? Eine Beschreibung mit vielen Bildern ...
( en edición...)


Stirling engine solar concentrator and toward biological integration. 

The problem of the energy in the economic system is based in that the whole development has been based in its excessive use.
On one hand it is necessary to settle down which are the real necessities of energy, for other to find the appropriate sources that don't break the biological balance of the planet. The human doesn't have the capacity to regenerate environmental damages to great scale, then his only option is to try carefully to the planet.
The fossil fuels provide great quantity of energy in little volume, but they produce enormous environmental damages. On the other hand they are in gradual extinction.
A source of direct and economic energy is that of the sun. Making an estimate for person, a quantity of 4 kW-hour is required by every day, in general, but that value is posiible of being modified by questions related to the loads that can adapt, in a such way of requiring a quantity of energy substantially smaller.
The solar energy differs according to the latitude. In the case of Cuba, the the most favorable point, is possible to reach 5 kW-hour per day, for square meter. It starting from 400W / m2 on the average per day.
A housing of three or 4 people can satisfy their necessities thoroughly with that energy. I don't speak, for the time being, of the refrigeration energy or heating, because there are questions to analyze. At the moment very incoherent systems are used in those functions, what implies that one can obtain equal result with less energy.
The solar cells have demonstrated to be very expensive. For that reason they have not been imposed, in spite of transforming the heat directly in electric power. There is
necessities where the thermal energy is used they directly already have numerous products designed in this respect:  electric heaters, solar kitchens, solar concentradores, deposits of hot water that are used as economical of energy, etc.
The effective problem is the one of transforming the heat in mechanical energy that in turn can transform in electric power. With electric power it is possible to solve the entirety of functions required daily.
The motor Stirling
This motor comes from the development made in 1816 by Robert Stirling, with the purpose of competing with the motor of vapor.
This motor requires a source of heat, to obtain mechanical energy in the axis. Their yield is good, approaching to the ideal cycle of Carnot.
The group receives on one hand, thermal energy, for other, in its exit, obtains mechanical energy that can be coupled to an electric generator. In definitive it is the device that allows to transform heat in electricity with less complexity.
It is not strange then that it has been devised accumulators of solar heat aiming to motors directly Stirling.
As it doesn't produce any combustion type, atmospheric pollutants are not generated in the use point, neither goods like the sour rain take place, effect hothouse for CO2, etc.

A source for each housing.
It is possible then to have a generator in each housing, avoiding the energy transport that produces losses in that process.
A solar concentrador is a device in cone form truncated with its open bases, fact with metal, it can be steel plate or galvanized. It is able to concentrate sun on a focal point elevating the local temperature up to 1200 grades. There are even applications where it uses it to him to fuse certain metals.
 The direct application makes that a concentrador is focused in the point of reception of heat of a motor Stirling. This way middlemen are avoided, constituting an effective system of thermal energy conversion to mechanics.
The yield of a motor Stirling is approximately 30%.  That is to say that if a source of heat of 5 kW-hour is applied per day, 1,5 kW-hour it is obtained per day, for square meter of solar reception.  With a concentrador of 6 m2 it is obtained then 9kW-hour newspaper.
With optimization of the consumption, it is satisfied the daily necessities of a housing.
The transformation in electric power
Starting from the mechanical energy obtained in the motor Stirling, it becomes electric power of continuous, by means of a dynamo that stores it in batteries. The conversion process to alternate tension is later, in a converter or ondulador that on one hand it transforms it in pulses and for another it determines the final value of pick of sin form of tension.
in spite of the fact that this process insume something of energy, is possible to think of feeding loads directly in continuous tension, for that which is not necessary the conversion.
In definitive, all the electronic devices work in continuous, only that the fact of possessing in the housings alternating tension implies that the same one has to be transformed to continuous tension. Then if we possess continuous tension, for what reason to return her to alternating? The logical thing is to feed the teams directly in continuous.
Radio teams, televisions, computers, etc. is feasible of being fed in continuous. Teams like fans could be adapted, changing the design to motor of continuous. In a same way refrigerators. The change motor should be evaluated of alternating to continuous, in an economic analysis, since the conversion to alternating loses energy, but the motors traditionally of continuous they were more expensive than those of alternating.

Integration with other sources, optimization of loads.
This is a means of reception of important energy. There are others that don't alter the atmosphere like the solar geothermal energy, on which I have made several articles. The geothermal lot is capable especially to refrigerate or heating, in direct form, without necessity of conversion of heat to mechanical and then to electric. In that sense, one of the most important loads in a housing can be satisfied by this road.
As I have explained in other articles, it is necessary to face the good real problem and not to the accepted one in the market outline. It has been accepted incoherent loads with the approach of applying energy in excess because she was available. It is the case of the conditionings in housings, buildings, until devices of industrial refrigeration.
The thermal insulation is fundamental as element of adaptation of the load to diminish the necessary energy of application. It is usual to accept to carry out thermal balances in rooms without any thermal insulation, with glasses directly in contact with the exterior and with doors without insulation. The insulation has a cost, but it is also a topic on which the market system has not put attention. It is possible to use insulation with economic materials being able to diminish the required thermal load.
In other cases it is necessary to optimize the designs. Incoherent designs as the buildings in height should be prohibited, should overcome a design regulation based on energy approaches for on the "aesthetic" approaches.
Cases like the areas of sleeping, are possible to redefine conceptually. In those areas people are still, during many hours. We can imagine the room bringing near their walls until a minimum around the sleeping person.
That concept has applied it in my room designs of sleeping in controlled atmosphere. It is a sector solely dedicated to sleep, without furniture, only a bed. The space is alone a small circulation space around the bed. It achieves it an atmosphere with minimum cost of insulation, minimum losses (that are proportional to the material and the contact surface), and possibilities of treatment of the unexpected air in other outlines. It is achieved this way, automatic ventilation, treatment of temperature, of humidity, germicide, ionizador, treatment of other parameters like audio and illumination, etc. that  allow to generate atmospheres "predisposed" to not induce single dream but states of calm, meditation and mental programming.
It is interesting to explore topics like the direct conversion of cold heat, with the principle of absorption, taking solar heat and acting on substances as the Bromide of Lithium that  allow to extract heat after produced changes when injecting heat to the system.
Designs with covers for roof with this incorporate system would be very valued.

An adaptive system with the atmosphere
One can observe to big features that all this configures an adaptation of the housing to be able to transform natural energy in energy that requires internally, but in another form. From that point of view we are in front of adaptive houses, in balance with the atmosphere that  don't take more than what is obtained naturally, doesn't produce waste neither they contaminate. I understand that it is the intelligent vision of the human social development that integrates it with that that cannot modify without generating consequences.

References
Solar energy - EcuRed

http://www.ecured.cu/index.php/Energ%C3%ADa_Solar
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling
El motor de Stirling
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_//estadistica/termodinamica/stirling/stirling.html
Heat Engines; Energy Fundamentals by R. Snurr and D. Freude
http://uni-leipzig.de/~energy/ef/12.htm
Stirling engine - Transformační technologie
http://www.transformacni-technologie.cz/en_stirlinguv-motor.html
Wie arbeitet der Stirlingmotor? Eine Beschreibung mit vielen Bildern ...
http://home.germany.net/101-276996/howdoes.htm



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