Desarrollo de motores stirling para aplicaciones solares

Abstract

Los sistemas de conversión termosolar basados en motores Stirling figuran entre las líneas de investigación actuales que pretenden contribuir al uso racional de la energía y al desarrollo sostenible. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo proporcionar criterios de análisis, diseño, fabricación y ensayo útiles para el desarrollo de motores Stirling alimentados con energía solar, a diferentes niveles de salto térmico. La metodología empleada está basada principalmente en técnicas de Análisis Dimensional y Teoría de Semejanza empleadas en trabajos anteriores, que se completan con las correspondientes pruebas experimentales. Los trabajos de investigación se iniciaron con recursos propios de la Universidad de Oviedo, y se continuaron formando parte de proyectos y contratos de colaboración con centros de investigación y empresas. En el rango de altas temperaturas, se caracterizaron los diversos subsistemas de uno de los prototipos con mayor éxito en el mercado actual, empleando simulaciones y datos experimentales, algunos previamente publicados y otros obtenidos en colaboración con la Fundación Tekniker y el Centro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER-CIEMAT). Paralelamente, tareas relacionadas con esta parte de la Tesis se realizaron en el marco del proyecto CENIT ConSOLI+Da, liderado por Abengoa Solar New Technologies. No obstante, los resultados de esta participación no se muestran en la Tesis por estar sometidos a acuerdos de confidencialidad hasta 2016. En el rango de medias temperaturas, se desarrolló un micro-cogenerador solar en colaboración con Tekniker, diseñado mediante técnicas de escala a partir del motor Philips M102C. Una parte esencial del micro-cogenerador es su calentador de geometría no tubular, objeto de gran parte del trabajo experimental de la Tesis. Se analizó la influencia de la geometría del calentador en el funcionamiento global del motor y se obtuvieron las correlaciones características de las pérdidas de presión y de la transmisión convectiva de calor, concluyendo que la compresibilidad del gas tiene un efecto despreciable en ambos fenómenos y que el nuevo diseño puede ser interesante en motores que alcancen valores relativamente altos del número de Reynolds. Una vez fabricado y montado el conjunto del micro-cogenerador se hicieron pruebas estáticas de estanqueidad y pruebas de arrastre en frío y en caliente, empleando como únicos cierres los anillos de guiado de los pistones. Aunque se detectó la presencia de fugas en los anillos de guiado a regímenes de giro por debajo de unas 700 rpm, el análisis de los diagramas de presión y de indicador, y de la variación de la temperatura del foco caliente funcionando como máquina inversa, han proporcionado resultados interesantes. Parece razonable esperar que el motor pueda producir una potencia indicada del orden de la especificada cuando se disponga de anillos de cierre eficaces, pero se descartó realizar la experimentación correspondiente, dado que las tareas asociadas de montaje y desmontaje son inviables sobre los propios pistones del motor. En futuros trabajos está previsto optimizar los cierres empleando un dispositivo experimental específico, así como finalizar la fabricación de otro calentador alimentado por aire caliente o gases de combustión con el que se podrán alcanzar temperaturas algo mayores y realizar comparaciones. En el rango de bajas temperaturas, se desarrolló un motor Stirling capaz de producir potencia útil con bajo salto térmico, como resultado de un contrato de investigación promovido por Impulso Industrial Alternativo S.A., y financiado por mediación del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI). El uso de una configuración gamma HEC, combinado con el intercambio de calor a través de placas planas, permiten que el motor alcance una adecuada relación entre las superficies de transmisión de calor en ambos focos, un volumen muerto relativamente bajo, y una relación de compresión que facilita el funcionamiento en condiciones favorables con respecto a otros motores existentes. Estas características innovadoras han justificado la solicitud de patente del motor de bajo salto térmico. Se realizaron pruebas de estanqueidad y de arrastre en frío con el prototipo de bajo salto térmico, comprobándose la existencia de fugas en el cierre de laberinto del pistón de trabajo cuando el motor fue arrastrado a bajos regímenes de giro, de forma similar a las observaciones realizadas en el micro-cogenerador. La solución del problema del cierre parece más sencilla de resolver que en el caso del micro-cogenerador, pero está pendiente del trabajo futuro ya citado sobre anillos de cierre.