Tesis

ABSTRACT

El presente trabajo presenta el diseño, construcción e instrumentación de un concentrador solar pedagógico del tipo canal parabólico, el cual funciona siguiendo el ángulo horario (w) solar. Además, se describe la caracterización térmica del mismo.

En la primer sección se introduce al tema de la energía con un esbozo de las energías renovables en México y el mundo. Posteriormente se justifica el diseño y construcción de instrumentos capaces de generar calor de proceso en la industria, que paralelamente se relacionan con instituciones de educación. Así mismo, en esta parte se detallan los alcances del trabajo.

Posteriormente, en el capítulo 2, se introduce a los términos usados durante el trabajo, y se explican la relación entre el Sol y la Tierra que hacen posible, el uso de la energía solar para generar energía térmica o eléctrica. Igualmente, se hace una descripción de los precedentes industriales y educativos de proyectos similares.

En el capítulo 3, se detalla el diseño del seguimiento solar. Primeramente, se habla de cómo se controla el sistema, de la electrónica y programación necesaria. Luego, se realiza una evaluación del rastreo del ángulo horario por medio de procesamiento de imágenes y al mismo tiempo se generan estimaciones de la concentración solar en una sección del equipo. Finalmente se obtiene una aproximación del error óptico de la superficie reflectiva colocada con el software Tonatiuh®.

La caracterización térmica del equipo se desarrolla en el capítulo 4. Se explica la instrumentación, la programación realizada y el sistema de adquisición usado. También se explican las normas tomadas como base de la metodología dispuesta. Se detallan las pruebas realizadas y las comparaciones entre un simulador solar, una configuración con orientación norte-sur y otra este-oeste.

Las conclusiones se encuentran en el capítulo 5 por tema y de manera general del proyecto. Finalmente, se colocan observaciones para pruebas y mejoras a futuro.

ABSTRACT

Actualmente se realizan numerosas investigaciones para desarrollar tecnologías que supongan una alternativa a las fuentes no renovables de energía, un claro ejemplo es la obtención de biocombustibles mediante la pirólisis de biomasa lignocelulósica, es decir, la descomposición térmica en ausencia de oxígeno de todo aquel material orgánico de origen vegetal compuesto principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Tradicionalmente esta tecnología utiliza hornos eléctricos para proporcionar el calor necesario en la conversión termoquímica, sin embargo se ha propuesto por parte del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LACYQS, en el cual colabora la UNISON), utilizar energía solar concentrada en un reactor para llevar a cabo operaciones de pirolisis de biomasa, en la cual se obtienen tres productos: biochar, un sólido poroso con aplicaciones de remediación de agua o suelos; bio-oil o tar, un aceite de pirolisis utilizado para producir calor o potencia; y gas de síntesis, el cual es rico en hidrógeno y se pude utilizar como combustible. El objetivo de este trabajo ha sido estudiar mediante Dinámica de Fluidos Computacional la relación entre el tipo de biomasa alimentada, la temperatura de operación y el flujo másico de alimentación. Se ha realizado un acople entre las ecuaciones gobernantes para un sistema multifásico euleriano y un modelo cinético detallado que describieron la pirólisis rápida en un reactor de lecho fluidizado, obteniendo una concordancia razonable con datos experimentales de acuerdo a la proporción de productos finales y encontrando una relación directa entre la producción de char y tar con el contenido de ligninas y celulosa respectivamente.

ABSTRACT

A lo largo de los años se han desarrollado hábitos erróneos en el uso de recursos energéticos no renovables, una utilización ineficiente de la energía. Es por ello que, en la actualidad, las energías renovables juegan un papel importante para contribuir al cambio. La energía solar fotovoltaica es una de las energías limpias más populares en el mercado, debido al enorme crecimiento de inversión, infraestructura, investigación y desarrollo tecnológico en la rama solar.

El presente informe detalla el desarrollo de un proyecto de investigación utilizando tecnología de concentración solar, la cual consiste en el aprovechamiento de un espectro más amplio de la radiación solar. Estos sistemas incrementan el flujo radiativo incidente sobre el área focal.

Los sistemas Fotovoltaicos de Concentración (CPV) son un tipo de energía solar fotovoltaica apoyada por elementos ópticos y representan una opción a los sistemas utilizados convencionalmente. La idea principal de éstos sistemas es reducir la cantidad de material semiconductor utilizado en sistemas convencionales, para abaratar los precios, reducir el área necesaria y aumentar la eficiencia de los sistemas.

El proyecto desarrollado durante las residencias profesionales consta de un Sistema tipo Fresnel reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas solares de alta eficiencia, este es un equipo que permitirá caracterizar el desempeño de dispositivos fotovoltaicos sometidos a altos niveles de flujo radiativo con distribución homogénea en condiciones de intemperie, y permite variar la intensidad de flujo radiativo sin modificar la uniformidad de este al desenfocar uno a uno los elementos que componen su óptica primaria.

La realización de estos estudios de comportamiento puede dar inicio al avance y desarrollo de nuevas tecnologías con celdas solares de alta concentración, con la facultad de aprovechar mayormente la radiación solar y aumentar las eficiencias de la tecnología fotovoltaica para le generación de energía.

El sistema tipo Fresnel reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas de alta eficiencia está compuesto por dos partes, la óptica del sistema consiste en superficies que modifican la dirección de la propagación de los rayos solares; definidas como Primer Elemento Óptico (PEO) formado en alrededor de 1800 espejos con área de 25 cm2 cada uno y Segundo Elemento Óptico (SEO) que consiste en un espejo plano de 75 cm de diámetro posicionado a 1.50 m de altura del PEO, mientras que el sistema de seguimiento lo integra un seguido solar de dos ejes.

Para asegurar una eficiencia relativamente alta, es necesario ejecutar evaluaciones de las distribuciones de la radiación incidente en el concentrador/receptor, así como el estudio de la obtención de flujos uniformes a diferentes niveles de concentración solar. Por lo que se desarrollaron dos distintas metodologías de alineación para la caracterización del concentrador: Laser Laica y Colimador de Luz.

Una superficie reflectante puede presentar desviaciones con respecto a su forma ideal, lo que ocasiona que los rayos de luz incidentes sobre el concentrador/receptor no se reflejen de la manera correcta a la distancia focal de diseño y se distribuyan de manera uniforme o que los rayos pueden terminar fuera del área del receptor dependiendo de la magnitud de su error, lo que ocasiona grandes pérdidas de energía en el sistema.

Para poder caracterizar propiamente un concentrador, es necesario contabilizar la precisión del sistema para reducir perdidas, teniendo como referencia el comportamiento ideal. Debido a que es un experimento de medición de flujos de concentración solar, requiere de una inversión considerable tanto en recursos técnicos como en tiempo de implementación.

Para evitar lo anteriormente mencionado, se realiza una simulación numérica mediante softwares de trazado de rayos donde estos podrán anticipar los resultados esperados antes de llevar a cabo las pruebas experimentales. Los softwares de trazado de rayos, son una herramienta comúnmente utilizada para predecir de manera aproximada el comportamiento de un sistema óptico sometido a un flujo radiativo.

Los softwares de simulación numérica para experimentos de concentración solar más utilizados en la actualidad y de la que se hace uso en el desarrollo del proyecto, son SolTrace y Tonatiuh. Estos brindan la ventaja de realizar el diseño optimo característicos, tanto de manera gráfica, como resultados numéricos para ser procesado. El sistema tipo FRESNEL reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas solares de alta eficiencia, se desarrolla en las instalaciones de la Plataforma Solar de Hermosillo (PSH). Ésta es una instalación que ha sido creada conjuntamente por la Universidad de Sonora (UNISON) y la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), principalmente para llevar a cabo investigación, desarrollo e innovación sobre tecnología en energía solar.

La PSH pertenece al Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar Y Química Solar (LACYQS), está constituido por una red de grupos de investigación con el propósito de avanzar en el desarrollo de las tecnologías de concentración y química solar en México y tiene como objetivo fortalecer las bases de la industria mexicana en el ramo de las energías renovables y ser facilitador de la sustentabilidad energética de México y el mundo.

ABSTRACT

En la termoquímica solar se realizan reacciones químicas endotérmicas en las que el calor se suministra con radiación solar concentrada. Estos procesos se llevan a cabo en reactores solares, que cuentan en su interior con un receptor volumétrico, cuyo cuerpo puede ser poroso o de canales y se caracterizan por usar su volumen, con una gran área superficial, para proporcionar calor al fluido que pasa a través de su estructura y alcanzar las condiciones requeridas para reaccionar. En este trabajo se estudian tres receptores volumétricos de alúmina con canales hexagonales de diámetros hidráulicos de 7.8, 5.7 y 4 mm. Se dividió el estudio en dos partes: primero se hizo el análisis de la caída de presión experimental y mediante simulaciones en 2D con dinámica de fluidos computacional (CFD). Después, se realizó el estudio de la transferencia de calor en un solo canal por receptor, con un sistema en 2D mediante CFD. La potencia solar se suministró con dos condiciones de frontera de densidad de flujo de calor variable en lapared interior del canal, una con distribución lineal y la otra no lineal. Con la primera parte del trabajo se observó que la caída de presión es mayor para los receptores de canales más pequeños. Los datos de cada receptor se ajustaron a la Ley de Forchheimer con un modelo de segundo grado. La parte de las simulaciones en 2D mostró que la distribución de la caída de presión era similar, sin embargo, la magnitud fue menor dando como resultado la mitad de lo observado en los experimentos. Por último, el estudio de la transferencia de calor en los canales, utilizando las dos condiciones de frontera con comportamiento lineal y no lineal, tuvieron distribuciones de temperatura distintas en las paredes y en el aire, no obstante, la temperatura del aire de salida fue muy similar en ambos casos. Para cada canal se obtuvieron superficies de respuesta para la temperatura del aire de salida en función de la potencia solar y el flujo másico, también se analizó la temperatura de las paredes. Las temperaturas mayores alcanzadas en el aire fueron superiores a los 2,000 K para los tres canales, sin embargo, el canal de 4 mm fue el que tuvo las menores temperaturas en las paredes, lo que lo hace el mejor de los tres. Finalmente se muestra una correlación general para estimar el Nu con respecto al Re, y además correlaciones particulares para cada canal.

#2020

ABSTRACT

En este trabajo de tesis se presenta un estudio teórico enfocado a describir los efectos aerodinámicos presentes en un heliostato cuando este se encuentra en posición de operación. Se analizaron las cargas generadas sobre un heliostato debido al flujo de aire atmosférico. Los estudios se realizaron en distintas orientaciones, variando los ángulos de α (elevación) y β (azimut).

Se planteó un sistema similar a un túnel de viento con un heliostato en su interior y se resolvió mediante software de dinámica de fluidos computacional. Se consideró estado estable, número mach menor al 3% (fluido incompresible) y alta intensidad turbulenta. Para determinar la capacidad predictiva del modelo, se compararon los coeficientes de arrastre, sustentación y volcamiento cuando el aire impacta directamente de espaldas al heliostato a distintos ángulos de elevación con los experimentales disponibles en la literatura especializada. Se obtuvo el error porcentual absoluto medio para estas cantidades, siendo 9.1% para los coeficientes de arrastre, 14.5% para los coeficientes de sustentación y 9.1% para los coeficientes de volcamiento.

Se encontró que los coeficientes de arrastre y volcamiento son máximos en α=0°, mientras que el coeficiente de sustentación alcanza su valor máximo en α=60° y que estos coeficientes son debidos en mayor parte a los gradientes de presión existentes en el heliostato.

Se observó también que estas cargas aerodinámicas son muy sensibles a la intensidad turbulenta existente en el sistema, por lo cual hay que tener especial cuidado al definir esta cantidad, ya que modifican de manera considerable la magnitud de las fuerzas medidas sobre el heliostato.

ABSTRACT

En el presente trabajo de investigación se llevaron a cabo experimentos con diferentes películas de nanodiamante sobre sustratos de silicio para su posible aplicación como cátodo en dispositivos de emisión termoiónica asistida por fotones (PETE, por sus siglas en inglés). La emisión PETE convierte la luz solar en electricidad por medio de la combinación de excitación fotónica y térmica de los portadores de carga, lo que tiene como resultado una emisión de electrones al vacío y los cuales pueden ser captados por un ánodo. Las películas utilizadas como cátodos fototermoiónicos fueron de ultrananodiamante (UNCD), ultrananodiamante dopadas con boro (B-UNCD), ultrananodiamante al que se le dio un tratamiento térmico con amoníaco (NH-UNCD) y películas de microdiamante (MCD). Se diseñó y construyó un generador fototermoiónico para realizar las mediciones de emisión de corriente PETE, y se utilizó un simulador solar de alta concentración para irradiarlas. Los experimentos se realizaron variando las concentraciones de luz con las que se excitaron las celdas, así como la diferencia de potencial aplicada entre el ánodo colector de electrones y el cátodo. Se encontró que las cuatro películas lograron emitir electrones, mostrando mejores resultados las celdas de B-UNCD y NH-UNDC. El UNCD sin dopaje mostró un buen comportamiento en las curvas de densidad de corriente en función de la temperatura, sin embargo, se observaron menores corrientes que en las películas de B-UNCD y NH-UNCD. En las películas de MCD, aunque se logró obtener mediciones de emisión de corriente electrónica, no se presentó un buen comportamiento ya que se observaron múltiples caídas de corriente durante las experimentaciones. Debido a los resultados obtenidos se llegó a la conclusión de que las mejores condiciones de operación utilizadas en este dispositivo PETE construido fueron 600 KW/m2 y una diferencia de potencial de 12 V, y se proponen las películas de B-UNCD y NH- UNC como una opción muy atractiva para utilizarlas como cátodo emisor de electrones en dispositivos fototermoiónicos. Es importante mencionar que parte del trabajo experimental llevado a cabo se realizó en las instalaciones del Instituto de Energías Renovables de la UNAM.

ABSTRACT

En este trabajo de tesis se presenta el desarrollo de los subsistemas y componentes necesarios para lograr el funcionamiento y para la evaluación de un concentrador solar de tipo cilíndrico parabólico. De tal manera que se realiza para cada uno de estos subsistemas un desglose, en el cual se muestra y describe el diseño, el funcionamiento, la metodología seguida, la puesta en marcha de cada uno y la evaluación de estos.

Como principales secciones de este trabajo se presentan el sistema de control para el seguimiento solar, la caracterización óptica del sistema, el modelo numérico para su comportamiento térmico e hidrodinámico, y la experimentación del sistema completo para lograr la validación del modelo matemático. En cada uno de estos apartados se explica a detalle el desarrollo del sistema, así como los componentes usados y los resultados obtenidos.

En el sistema de seguimiento se desarrolló un sistema de control capaz de cambiar entre tres transductores para la realización del seguimiento, que a su vez cuenta con tres diferentes modos de operación; como son, el modo automático, modo libre y modo manual. A su vez, se hizo la evaluación de estos tres transductores, llegando a la elección de uno como el de mejor respuesta (acelerómetro). Finalmente, se hace una mejora con la implementación de una mirilla, la cual trabaja en conjunto con cualquiera de los otros tres transductores, haciendo así menor la deriva en el sistema de seguimiento de la trayectoria aparente del Sol.

En la caracterización óptica del canal parabólico, se determinó un error óptico global, el cual sería usado posteriormente para el modelado numérico. La obtención del error óptico global del sistema de concentración solar parte de una comparación de perfiles de distribución de flujo radiactivo concentrado. El perfil de distribución de flujo teórico se obtiene de un modelado de trazado de rayos, mientras que los perfiles reales fueron medidos experimentalmente usando dispositivos que permitieron hacer dichas mediciones sobre el eje focal del sistema. Ambos perfiles de distribución de flujo radiactivo concentrado fueron obtenidos sobre un plano receptor con características de blanco Lambertiano.

Para el modelado numérico se empleó el método de volúmenes de control, con el fin de conocer el comportamiento térmico e hidráulico del fluido de trabajo en el arreglo del tubo absorbedor, así como en cada uno de los componentes de este. Una de las contribuciones al modelo es el acople de la respuesta de un modelo de trazado de rayos, teniendo como punto de partida a la distribución de flujo incidente sobre el tubo absorbedor para así poder conocer la influencia de esta sobre la respuesta del sistema completo. Los resultados obtenidos en cada uno de los subsistemas y para el sistema en conjunto indican que el dispositivo usado requiere de varias mejoras, no así los sistemas desarrollados, por lo que es posible decir que lo desarrollado de este trabajo es de utilidad. Por lo que, como siguiente paso se tiene el mejoramiento del dispositivo de concentración solar, sobre todo en la parte de manufactura.

ABSTRACT

En el presente trabajo se detalla la importancia de diversificar el desarrollo de la sustentabilidad energética, promoviendo la implementación de las energías limpias que contribuyan al desarrollo económico y social de la población mundial, con el fin de reducir la explotación de los recursos energéticos como los combustibles fósiles, y mitigar las altas emisiones de contaminantes que estas emanan al medio ambiente.

Partiendo de la demanda de investigación en diferentes áreas de aplicación de la energía solar fotovoltaica de concentración y de la importancia de realizar estudios de caracterización óptica de flujos radiactivos incidentes sobre celdas fotovoltaicas de concentración solar, así como la caracterización térmica de los sistemas de enfriamiento para remover los excesos de calor en las celdas fotovoltaicas y otros estudios de tecnologías de concentración solar que hagan uso de un sistema de foco puntual para con de desarrollos tecnológicos e innovación, se desarrolló un Concentrador Anidólico tipo Horno Solar (CosAn) para la caracterización de celdas fotovoltaicas de concentración solar que se ha realizado en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, ubicado en Temixco. Morelos.

Para llevar a cabo la caracterización óptica del CosAn, se efectuó la modelación del sistema en el software de trazado de rayos Tonatiuh, la cual permite simular la óptica del concentrador y realizar una evaluación de los parámetros ópticos de los espejos del concentrador, así como obtener el error óptico global del sistema mediante el análisis de las distribuciones de los perfiles de flujo radiactivo normalizado a partir de la simulación a diferentes errores ópticos; además de desarrollar una metodología de alineación de los espejos para obtener un flujo radiactivo concentrado mediante un patrón de alineación que se ubica en el radio de curvatura (4m) del concentrador.

La puesta a punto del sistema del CosAn consistió en la transición de la estructura del DEFRAC a un diseño nuevo de una estructura de soporte estática de los espejos del concentrador, además de las adaptaciones a las estructuras del helióstato y el diseño de los mecanismos de alineación de los espejos, el montaje de los instrumentos de adquisición de señales y del blanco de referencia sobre una mesa de caracterización para la toma de imágenes del flujo radiativo incidente en la zona focal y a lo largo del eje óptico del concentrador.

Los resultados obtenidos a partir de las campañas experimentales, en los que podemos destacar que a partir de la evaluación de la distribución de flujo radiactivo concentrado en la zona focal, se pudo obtener el error óptico global de 2.6 miliradianes mediante la comparativa del perfil obtenido en las simulaciones, con el perfil real. Por otro lado, la consideración de parámetros de reflectividad y transmitancia de los elementos de los sistemas ópticos, y la estimación de factores que afectan el rendimiento óptico del sistema, se pudo obtener una aproximación de los niveles de concentración de la radiación en el CosAn.

Las distribuciones de flujo radiactivo en distintas posiciones del eje focal, permitió deducir que a medida que se va alejando el blanco Lambertiano, los flujos radiactivos presentan un comportamiento homogéneo, y con base en la estimación de estas distribuciones de flujo, se llevó a cabo una campaña de caracterización de una celda fotovoltaica de concentración, en la que por medio de un trazador de curvas I-V, se pudo determinar la potencia generada de la celdas, y así determinar las eficiencias de conversión de la potencia radiactiva promedio incidente en la celda a potencia eléctrica, que para un flujo radiactivo de 409 kW/m2 se presentó la mayor eficiencia de la celda con un 31.9%.

ABSTRACT

En el aprovechamiento de energía solar los sistemas de alta concentración son una opción viable para satisfacer energéticamente diversos procesos industriales. Las principales desventajas de estos sistemas de concentración es el control de la temperatura de operación, las pérdidas de calor asociadas al proceso y la distribución de la radiación concentrada. Los gradientes de temperatura inducidos por una distribución no uniforme ocasionan en los materiales un deterioro considerable debido a las altas temperaturas de concentración las cuales alcanzan los puntos de fusión. En este trabajo se analiza, simula y diseña un concentrador solar de alto flujo radiactivo que sea capaz de generar perfiles de intensidad de flujo homogéneo, Pare ello se abordan: 1) los fundamentos teóricos de la transferencia de calor por radiación para el estudio de la energía solar térmica de concentración; 2) el análisis teórico de la óptica y geometría de concentración, para conocer la relación que tienen las variables involucradas en el proceso de captación de la energía infrarroja proveniente del Sol en un receptor; 3) el análisis del modelo básico de mezcla estadística propuesto para combinar los perfiles gaussianos individuales producidos por la reflexión en los elementos de una óptica de concentración solar, y obtener perfiles homogéneos conociendo las características ópticas de los espejos reflectores; 4) simulaciones numéricas, mediante paquetes computacionales de trazado de rayos, que comprueban la homogeneización de los perfiles de concentración, considerando parámetros de alineación de los espejos para conseguir la obtención de flujos homogéneos; 5) el diseño de los elementos mecánicos y las especificaciones de diseño que proporcionen la movilidad adecuada de los espejos para poder direccionar la reflexión de los rayos a voluntad, y el diseño de del concentrador solar propuesto para la realización de pruebas y experimentación.

El presente trabajo fue desarrollado en el área de concentración solar del Instituto de Energías Renovables (IER) de la UNAM, bajo la dirección del Dr. Carlos Alberto Pérez Rábago.
El proyecto pertenece a una línea de investigación en termoquímica solar que tiene como objetivo crear una constante de innovación en cuestiones de estudio y desarrollo tecnológico.
Es por ello que el equipo de investigadores requiere dotar a los experimentos, de un sistema capaz de controlar y monitorear una mezcla de gases, el cual se montó en la mesa de experimentación del horno solar de altos flujos radiactivos (HoSIER).
Por lo que, este proyecto centra su importancia en la implementación de un sistema de mezcla de gases que pueda lograr como resultado una salida de gas a una temperatura igual y/o mayor a 110°C. El alcanzar una temperatura mayor y/o igual a 110° requiere del control del flujo de diversos gases para lograr una mezcla perfectamente regulada, así como mezclar al flujo una corriente de vapor de agua.

En el proyecto de termoquímica solar se determinó dividir la interfaz de control en dos secciones independientes para manipular a conveniencia los experimentos requeridos en el HoSIER: el primero es un banco de mezclado de gases que controlan el flujo deseado de los diferentes tipos de gas y el segundo es la etapa donde los gases son mezclados con el vapor de agua para posteriormente conectarlo a los reactores de la mesa de experimentación.
El diseño de la interfaz gráfica de control del sistema mezclador de gases y generador de vapor tienen como finalidad obtener la mezcla de gas requerida por la mesa de experimentación del HoSIER, un monitoreo de funcionamiento y un manejo del sistema más práctico, es decir, el sistema de control de gases con mezcla de vapor de agua para un horno solar de altos flujos radiactivos, es realizado desde un ordenador y la interfaz gráfica presenta un diseño amigable con el usuario. También, la interfaz gráfica presenta dos características importantes: la lectura del flujometro instalado en el mezclador de gases y el sistema de alarmas que el propio usuario puede configurar.

ABSTRACT

En este trabajo se llevó a cabo la evaluación de un receptor calorimétrico de placa plana mediante una serie de pruebas experimentales realizadas en el Horno Solar del Instituto de Energías Renovables (HoSIER), perteneciente al Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LACYQS). El dispositivo se basó en el calorímetro diseñado particularmente para el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), el cual es parte de LACYQS y se ubica en Hermosillo, Sonora. La singularidad de este diseño contra otros dispositivos calorimétricos fue la integración de aletas al interior. No obstante y a pesar de que se respetaron las principales relaciones internas de superficie, el receptor se escaló y se modificó para adaptarlo al sistema óptico del HoSIER. El dispositivo se construyó, instrumentó y puso en operación para las campañas de experimentación.

Para evaluar el desempeño del receptor calorimétrico se estableció como principal propósito conocer su eficiencia global. Este indicador fue estimado a partir de un sencillo pero útil análisis estadístico de los resultados experimentales. Se abarcaron todas las condiciones de operación empleadas, estas fueron: flujos másicos de agua de 4, 6 y 8 litros por minuto, y 6 aperturas graduales en el mecanismo de atenuación del sistema concentrador, consiguiendo así una variación en la potencia incidente en cada caso. Para la primera serie de pruebas realizadas se mantuvo intacto el tratamiento de sandblasteado en la superficie externa del receptor, así se obtuvo una eficiencia del 55 % con una desviación estándar del ± 3 %; en una segunda fase del trabajo se aplicó un recubrimiento de Zynolite a la superficie logrando que este parámetro llegara a un valor de 95 % ± 2 %.

Se trabajaron los datos experimentales para generar un conjunto de graficas paramétricas, estas permiten visualizar con facilidad el comportamiento térmico del dispositivo. En ellas se compara la potencia incidente en la superficie del receptor, la diferencia de temperatura a la entrada y salida del flujo, la temperatura promedio de placa y las condiciones de gasto volumétrico, en ambos acabados superficiales.

Un tema fundamental de este trabajo es el análisis del desempeño de la superficie interna aleteada. Por ello dentro del marco teórico desarrollado se establecieron parámetros para evaluarla, estos fueron: la efectividad de la aleta, la eficacia de la superficie y la eficiencia total de la superficie interna. Para las condiciones operativas el primero tuvo un rango que va de 6.2 a 9.6, el segundo de 1.59 a 1.99 y el tercero de 0.54 a 0.69, esto obedece a que son variables dependientes del coeficiente promedio de transferencia de calor, a su vez este último depende de las condiciones experimentales como se expresa en la ecuación para calcularlo obtenida por calorimetría. Estos resultados indican que la base teórica es correcta al utilizar un modelo unidimensional para la transferencia de calor en aletas; que resulta positivo adherir aletas al interior del receptor; y que es posible optimizar geométricamente las relaciones de superficie interna para incrementar el flujo de calor.

Otro tema cubierto es el transitorio de calentamiento tanto de la placa receptora como del flujo másico del agua. El modelo analítico propuesto en el marco teórico se comparó con los datos experimentales obteniendo resultados satisfactorios; se acoplaron apropiadamente ambas curvas en los casos estudiados. No obstante se señala que durante el proceso de calentamiento el coeficiente promedio de transferencia de calor se modifica temporalmente, variando así los tiempos característicos que determinan las pendientes de la curva.

La eficacia de la superficie es un parámetro importante porque describe una razón entre el flujo de calor a través de una superficie aleteada y una sin aletas con la misma área de base; su estimación corresponde a dos dispositivos que operan bajo el mismo coeficiente promedio de transferencia de calor. Sin embargo, bajo condiciones experimentales similares no es físicamente posible que esto ocurra para dispositivos con distinta geometría interna, y como se explica en el análisis de resultados, la diferencia impacta significativamente en la temperatura promedio de placa, siendo esta última el motivo por el cual se plantea este tipo de diseño.

Para valorar lo anterior se trabajó un modelo computacional sobre la plataforma de ANSYS FLUENT, adaptando la geometría del receptor calorimétrico. La primera acción fue comparar los resultados generales de una serie de simulaciones contra los datos experimentales, para ello se programaron las condiciones de potencia y flujo utilizadas en las pruebas reales; las aproximaciones fueron razonables permitiendo validar el modelo empleado. Después de esto, se compararon bajo condiciones similares los resultados numéricos de ANSYS FLUENT con geometrías internas distintas, el calorímetro original contra uno similar pero sin aletas, el resultado fue una tendencia creciente en la diferencia de temperatura promedio de la placa receptora en función de la potencia absorbida, confirmando el planteamiento establecido en el análisis de resultados.

El propósito de este proyecto radica en la validación del modelo de ANSYS FLUENT empleado para evaluar el receptor calorimétrico diseñado acorde a las características del CEToC. Con base en el conjunto de trabajos experimentales y computacionales llevados a cabo dentro de esta tesis es posible afirmar la eficacia de este modelo. Así mismo, se ratifica que la integración de aletas optimiza el desempeño térmico de un receptor de placa plana, siendo este el propósito del diseño. Por último, se presentan las consideraciones operativas observadas que sirven como referente para la operación de dispositivos del mismo tipo.

#2016

ABSTRACT

La creciente demanda energética provocada por el rápido incremento poblacional, ha llevado a un agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, además de un gran impacto ambiental, ocasionado por las altas emisiones de CO2 generadas en los procesos de transformación que tienen lugar en el sector industrial. La energía solar se postula como una alternativa con gran potencial para mantener la disponibilidad energética en un plano a futuro, reduciendo en gran nivel las altas emisiones de CO2.

Dentro de las tecnologías de concentración solar, las cuales aprovechan la energía solar para transformarla en otro tipo de energía, los reactores solares utilizan la radiación concentrada transformándola en energía térmica, la cual se usa después para llevar a cabo una reacción química endotérmica. A este proceso se le denomina “termoquímico solar”. Un reactor solar es un receptor diseñado para operar a altas temperaturas, minimizando las pérdidas de calor y favoreciendo el intercambio térmico y másico entre las especies que participan en la reacción.

En esta tesis se realiza una propuesta de diseño de un reactor solar destinado a la gasificación, por vapor de agua, de coque de petróleo. El coque de petróleo es un producto residual con un alto contenido de carbono, resultante del proceso de pirolisis de las fracciones pesadas que se obtienen en la refinación del petróleo. Una característica del coque que permite considerarlo como una alternativa de mediano y largo plazo para la generación de electricidad o de vectores energéticos como el hidrógeno, es su poder calorífico equivalente al 80% del de un residual líquido, como el combustóleo. Además, al ser combinado con agua mediante la reacción endotérmica de “gasificación solar”, se produce un gas de síntesis con un valor energético mucho mayor. Este trabajo es una propuesta de optimización para un reactor preliminar diseñado en el Instituto de Energías Renovables (IER) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y que forma parte de una tesis doctoral en desarrollo.

Se realizó una extensa revisión bibliográfica sobre los reactores solares destinados a la gasificación de materiales carbonáceos. En base a esta revisión, se realizan diversas modificaciones en el diseño del reactor, y se proponen dos estudios: El primero consiste en un análisis de distribución de radiación en la zona focal y en la ventana de cuarzo del reactor. En este análisis se realizan diversas simulaciones para conocer la densidad de flujo solar en la zona focal, en donde se coloca la muestra de coque, y fuera de la zona focal, en donde se posiciona la ventana de cuarzo que permite el paso de la radiación al interior del reactor. Con los datos resultantes, se determina la distancia de posicionamiento de la ventana a la cual se obtiene una potencia o flujo con el que la muestra pueda alcanzar las temperaturas de reacción necesarias. Además, mediante estos datos es posible determinar las temperaturas máximas y promedio a las que se expone la ventana, para así poder evitar que éstas sobrepasen los límites a los que el material puede llegar sin deformarse o quebrarse. En el segundo estudio se determina la mecánica de los fluidos de arrastre en el interior del reactor. Para esto se llevan a cabo simulaciones, mediante Dinámica de Fluidos Computacional, en ausencia de radiación y a un determinado flujo másico, obteniendo así la magnitud de los vectores de velocidad producidos dentro del reactor. Para comprender el funcionamiento del modelo y del software, se describen algunas de las propiedades termofísicas de los fluidos, las ecuaciones que rigen el fenómeno a estudiar, se realiza una explicación general de los métodos de solución numérica y una breve definición del concepto y modelado del fenómeno de turbulencia. Posteriormente se realiza el análisis de flujo en el diseño preliminar y se propone una optimización del mismo.
La descripción detallada de las piezas del reactor preliminar, junto con las del diseño óptimo, resultante de los estudios antes mencionados, se realiza al final. Además, se lleva a cabo una breve explicación de algunos dispositivos y accesorios utilizados, y la selección de los materiales adecuados para su construcción.

ABSTRACT

En este trabajo de investigación se determinó el error óptico global, el pico máximo de concentración solar y la potencia del Horno Solar del IER, por medio de su caracterización óptica y térmica, aplicando metodologías novedosas y utilizando dispositivos especializados que son únicos en su tipo.

En la caracterización óptica del horno, se determinaron de manera teórica las distribuciones de flujo radiactivo concentrado en la zona focal y se obtuvieron las distribuciones reales por medio de dispositivos que permitieron realizar mediciones de manera directa e indirecta de la radiación solar altamente concentrada en la zona focal.

Para la caracterización térmica, se diseñó y construyó un calorímetro de cavidad para la medición directa de la potencia del horno y se realizaron pruebas de fundición de diversos materiales para conocer la temperatura que es capaz de alcanzar.

Los resultados obtenidos del error óptico, del pico máximo de concentración solar y de la potencia del horno solar del IER mediante su caracterización óptica y térmica, indican que es un instrumento de investigación científica de gran calidad, lo que permitirá realizar pruebas y experimentos en México como se hacen en hornos similares en otras partes del mundo.

ABSTRACT

El estudio de la transferencia de calor en cavidades abiertas es un tema de gran interés por sus aplicaciones en varios campos de la ingeniería térmica como: diseño térmico de receptores en sistemas termosolares, enfriamiento de dispositivos electrónicos, construcciones, etc. Entre los mecanismos de transporte de calor en estos sistemas, la convección natural ocupa un lugar importante al estar siempre presente en cavidades abiertas.

Se han reportado en la literatura varios estudios de transferencia de calor en cavidades abiertas que pueden ser clasificados como: numérico, experimental y numérico- experimental. En el presente trabajo se plantea un estudio experimental y numérico de la convección natural turbulenta en una cavidad cúbica abierta considerando la influencia de la radiación.

Se consideraron diferentes flujos de calor constante (75, 150, 300, 450 W) en la pared vertical opuesta a la abertura, mientras que el resto de las paredes se aislaron térmicamente. Se analizó el efecto de la emisividad de las paredes considerando dos casos con emisividades reportadas en la literatura: (a) paredes cubiertas de aluminio pulido (0.05) y (b) las paredes están pintadas de negro (0.9).

Se utilizó el software de dinámica de fluidos computacional FLUENT 6.3 para realizar la simulación de cada caso experimental, se consideraron las propiedades termofísicas variables con la temperatura, se seleccionó el modelo de turbulencia k- y el esquema MUSCL en la discretización de los términos advectivos, el método de Coordenada Discreta para la Solución de la Transferencia de Calor por Radiación y para el acoplamiento de las ecuaciones se implementó el algoritmo SIMPLEC. Una vez obtenida la información numérica se compararon los perfiles de temperatura y coeficientes de transferencia de calor con los datos experimentales, también se muestran
y analizan los campos numéricos de: temperatura, magnitud de la velocidad y viscosidad turbulenta.

El espesor de la capa límite térmica adyacente a la pared caliente, se midió experimentalmente y se calculó mediante CFD, observándose un espesor que varió entre 0.025 m y 0.03 m, dependiendo de la emisividad de las paredes. Con los resultados obtenidos se determinó que los coeficientes de transferencia de calor aumentan con la emisividad y también que las diferencias porcentuales entre los valores experimentales y numéricos de los coeficientes de transferencia de calor y números de Nusselt promedio, aumentaron con la participación de la radiación.

ABSTRACT

Un helióstato dentro de la tecnología de torre central es el dispositivo encargado de recibir y concentrar la radiación solar en un receptor. En Hermosillo, Sonora, México la UNAM en colaboración con la UNISON están desarrollando el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), parte de las actividades que ahí se realizan se orientan al análisis del diseño, construcción, evaluación y caracterización de nuevos prototipos de helióstatos. La búsqueda de mejoras a los prototipos de helióstatos existentes en el CEToC se encamina a la optimización de su operación y abaratamiento de su manufactura. El presente trabajo describe el desarrollo de un prototipo de helióstato de 37.44 m2. Entre las mejoras incorporadas al presente diseño está una configuración de facetas en herradura, para que el helióstato sea abatible y disminuir así el ensuciamiento por polvo en el área reflejante; peso aligerado, a través de la reducción del espesor del vidrio y el consecuente aligeramiento estructural; un cabezal más barato y preciso, así como más ligero. Se simularon distintas formas de superficie para las facetas, esto para evaluar el desempeño de concentración de este sistema óptico, de esta manera se observó la factibilidad de aumentar la concentración propiciando la deformación de facetas, siempre y cuando éstas sean de los helióstatos cercanos a la torre. El criterio de diseño del nuevo marco estructural se rigió por la selección de componentes de dimensiones comerciales, evitando desperdicio de material y aminorando el trabajo de manufactura. Se simuló el comportamiento mecánico estructural del nuevo prototipo, de este análisis se deduce que el modelo carece de rigidez, y por tanto presenta grandes desplazamientos y deformaciones. Dichas características son indeseables en un concentrador óptico pues la calidad de la imagen que reflejan es deficiente. El nuevo helióstato se instaló en el CEToC, en donde se llevaron a cabo diversas pruebas para evaluar el desempeño global del prototipo. Estas pruebas fueron: mancha solar formada por el helióstato, reflexión de franjas, medición de la deformación de la estructura. Finalmente, se discuten los resultados de estas pruebas y se formulan conclusiones recomendaciones para trabajo futuro.

#2014

En la revisión histórica entre la humanidad y la energía podemos resaltar que cada cambio significante en la vida del hombre está estrechamente relacionado con la energía que necesita, siendo la necesidad de ésta cada vez mayor. El aumento en la necesidad energética es causado por nuevos desarrollos tecnológicos.

La demanda energética alrededor del mundo ha aumentado de gran manera debido al crecimiento de su población, cada uno de los nuevos pobladores requiere de productos y servicios, por lo tanto también han aumentado las actividades industriales, el transporte y los servicios requeridos para mantener un nivel de vida adecuado. La energía necesaria para suplir estás necesidades es suministrada en su mayoría por combustibles fósiles en consecuencia a nivel global existe una dependencia energética y económica a estos combustibles.

Económicamente se empezó a depender del petróleo en los años 50’s después de la segunda Guerra Mundial. El petróleo fue el combustible que hizo posible reactivar la industria e iniciar el crecimiento económico. Para la década de los 70’s el petróleo suplía un tercio de la energía para la industria y un cuarto de la generación de energía eléctrica.

En 1973 el consumo energético mundial fue de 4,672 Mtoe (equivalente a millones de toneladas de petróleo) desde entonces ha incrementado gradualmente (figuras 1.1 y 1.2) y en menos de 40 años se ha doblado. En 2010 el suministro fue de 8,677 Mtoe (OECD/IEA,2012).

ABSTRACT

En una planta de concentración solar para generación de energía eléctrica del tipo torre central, se requiere de un gran conocimiento de la trayectoria solar y por supuesto de un cálculo muy preciso de la misma. Lo anterior debido a que el equipo requerido para realizar la concentración solar denominado Helióstato para su correcta operación requiere precisiones de alrededor de 0.1 grados o menores de arco angular. Sin embargo, la complejidad del problema no solo radica en la precisión necesaria, también requiere que el sistema sea implementado a un bajo costo debido a que un planta regularmente cuenta con miles de helióstatos. Para poder alcanzar estos requerimientos es necesaria la instalación de sensores de posición, monitoreo de variables ambientales, un sistema de retroalimentación por visión artificial, y un trabajo extenso en el desarrollo del software de control para el procesamiento de toda esa información y la toma de decisiones. Esto implica toda una gama de problemáticas a resolver, desde la adquisición de datos ambientales, control de motores de potencia, alineamiento de mecanismos, cálculos vectoriales de posición solar y heliostático, así como de procesamiento de imágenes para retroalimentación de imagen solar.

En el presente trabajo de tesis se muestra un esquema completo y bastante específico de solución a muchos de los problemas presentados en la automatización de una planta de torre central, así como de las variables necesarias para la correcta operación de los helióstatos. Además, se presenta un esquema de retroalimentación fuera de línea (offline) que cumple con los requerimientos para mantener una eficiencia del 100% en el funcionamiento de helióstatos, compensando el problema de “deriva” de imagen solar, al menos por 7 días continuos de operación.

El sistema de control del Campo de Pruebas de Helióstatos está en funcionamiento en la ciudad de Hermosillo, Sonora. Es un proyecto de investigación solar creado por el Centro de Investigación en Energía (CIE) y la Universidad de Sonora(UNISON).

La tecnología solar se encuentra en una etapa de desarrollo e investigación a nivel mundial. En México se han iniciado ya las investigaciones sobre este tema. Los países que logren avanzar adecuadamente en este campo serán tecnológicamente independientes.

Existen tres tipos de aprovechamiento de la energía solar, la fotovoltaica, la fotoquímica y la fototérmica. El primer tipo es un método de generación de energía eléctrica directa basada en el efecto fotovoltaíco presente en materiales semiconductores, el segundo aprovecha la radiación solar para generar reacciones químicas, y el último tipo para generar calor.

ABSTRACT

Ante la creciente motivación de los países por utilizar energía renovable para la producción de energía eléctrica, hoy en día las plantas termosolares han aumentado en número. Toda planta termosolar cuenta con espejos que concentran la luz solar en un punto llamado blanco, por lo que la presencia de luz solar concentrada en grandes cantidades es usual en este tipo de instalación. A causa de ésto, pueden surgir distintos riesgos, entre ellos de tipo cutáneo, quemaduras en la piel o bien de tipo ocular, ya sea de quemaduras en la retina, en un caso extremo, o de deslumbramiento momentáneo (post imagen), mismo que puede causar distracciones. Algunos estudios anteriores han proporcionado límites máximos permisibles de exposición a este tipo de radiación solar concentrada, así como también los posibles efectos ante dicha exposición. Cada vez aumenta la necesidad de la evaluación de riesgos en este tipo de plantas, con la intención que el ambiente laboral sea de seguridad evitando riesgos a la salud.

Debido a lo anterior, este trabajo tiene como objetivo brindar un análisis representativo que muestre la situación actual de una instalación de este tipo y posteriormente proponer medidas de seguridad para contrarrestar los riesgos potenciales, mediante una estimación de riesgos oculares por radiación solar concentrada en una instalación de tipo torre central destinada al aprovechamiento de energía solar.

La instalación en la cual se llevó a cabo el estudio es el Campo de Prueba de Helióstatos (CPH), operado conjuntamente por la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad de Sonora, y recientemente inaugurado, en Hermosillo, México. La evaluación de riesgos potenciales del brillo y resplandor, originados por el receptor y las superficies de los helióstatos, fue realizada de acuerdo con la metodología propuesta en las investigaciones más recientes. Los niveles de radiación reflejada que se obtuvieron en el estudio se comparan con los límites máximos permisibles expuestos en estudios anteriores, para posteriormente sugerir las zonas con clasificación de riesgo en base a la distancia.

Por último, existen diversas instituciones, asociaciones y normativas que se preocupan por la seguridad laboral ante la exposición de este tipo de INR, se retomarán los puntos clave y expresarán las recomendaciones necesarias en este tipo de industria.

ABSTRACT

En México, únicamente el 35 % de las aguas municipales y el 18% de aguas industriales residuales reciben algún tipo de tratamiento, generalmente de tipo biológico [CONAGUA, 2010]. En contraste, la cantidad de contaminantes persistentes a los métodos convencionales de tratamiento van en aumento. Esto obliga al desarrollo de nuevas técnicas de tratamiento para combatir el problema creciente de la contaminación del agua. Una novedosa alternativa para el tratamiento de contaminantes orgánicos en el agua lo constituye la fotocatálisis. La fotocatálisis se entiende como la aceleración de una reacción química por la presencia de un catalizador fotosensible (fotocatalizador). Esta técnica de tratamiento de agua pertenece al grupo de los denominados Procesos de Oxidación Avanzada (POA) que se caracterizan por la producción de especies de alto poder oxidante, principalmente el radical hidroxilo ( HO ), los cuales son fuertes agentes oxidantes capaces de atacar la materia orgánica y degradarla.

Durante este proyecto de tesis se presenta el desarrollo de una Planta Solar Fotocatalítica para el Tratamiento de Aguas Residuales (PSFTAR), la cual es parte del proyecto de Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LNSCSyQS) financiado por el CONACYT y la UNAM. El desarrollo de la planta involucra tanto el diseño, fabricación y puesta en marcha de 3 reactores para fotocatálisis heterogénea con TiO2 manufacturados en el CIE-UNAM, como la implementación de 3 equipos comerciales adquiridos a la empresa española Ecosystem. De los dispositivos construidos en el Taller Mecánico del CIE, 2 son prototipos de 1m2 integrados por colectores solares CPC de 1 y 2 soles de concentración y un tercer reactor de 7.68 m2 integrado por 32 colectores solares CPC de 2 soles de concentración y un sistema de sensores para medición en tiempo real de pH, Oxígeno disuelto (OD), Temperatura (T), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y de flujo. De los 3 equipos comerciales, 2 son para reacciones de Foto-Fenton y 1 para fotocatálisis con TiO2; en este momento solo se encuentra en operación la planta piloto de procesos foto-Fenton acoplado a un reactor biológico (4 m2).

Con el propósito de evaluar el desempeño de cada uno de los reactores fotocatalíticos, se realizaron procesos de degradación fotocatalítica tanto en fase homogénea (foto-Fenton) como en fase heterogénea con TiO2 para lo cual en ambos casos se utilizó el plaguicida carbarilo como contaminante modelo. En el caso especifico de fotocatálisis con TiO2, se trabajó en la inmovilización del fotocatalizador por la técnica de depósito químico sol-gel sobre tubos de vidrio pyrex, el cual seguidamente se utilizó en los reactores fotocatalíticos anteriormente mencionados. Para la fotocatálisis por medio de procesos foto-Fenton se utilizó sulfato de hierro como reactivo de Fenton. Para el estudio analítico de los procesos de degradación fotocatalítica se evaluaron parámetros experimentales tales como contaminante remanente en la solución por medio de espectrofotometría UV-VIS y carbono orgánico total (COT), y adicionalmente se determinaron demanda química de oxígeno (DQO), OD, pH, y temperatura de la solución.

Para completar los estudios de caracterización, se llevó a cabo un estudio de la cinética de degradación por medio del cual se analizó el comportamiento de velocidad de la degradación fotocatalítica del carbarilo en función del tiempo de exposición, concentración solar en el intervalo de 1 a 2 soles de concentración y energía acumulada. Punto de partida de este estudio fue el modelo de Langmuir-Hinshelwood y la aproximación de una cinética de pseudo-primer orden. Por medio de esta aproximación se calcularon las constantes cinéticas de pseudo-primer orden k0 (min -1) y la constante aparente de primer orden k’ (kJ -1 L)1/2.

Los resultados obtenidos con los reactores fotocatalíticos, tanto construidos como adquiridos, permiten predecir un buen desempeño tanto a nivel prototipo, como a nivel de planta fotocatalítica. A nivel prototipo, mediante fotocatálisis con TiO2 fue posible degradar el 100 % de 35 mg/l de carbarilo en 215 minutos manejando un volumen de 30 litros; mientras que por foto-Fenton se degradó el 100% de 35 mg/l de carbarilo en 30 minutos operando con un volumen de 60 litros. A nivel de planta, al integrar los diferentes reactores fotocatalíticos con los que se cuenta, en este momento se dispone de una capacidad de área de captación de 32 m2 y de volumen a degradar de 240 l en un período de exposición a la radiación solar menor a 3.5 horas.

ABSTRACT

Por la relevancia que tendrán las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, ha impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar. Este proyecto, entre sus objetivos, considera la construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR). Ello posibilitaría tener infraestructura para desarrollar tecnología de punta en el área de las aplicaciones termosolares. El horno que se está proyectando sería ubicado en las instalaciones del Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM en Temixco, Morelos.

Se han considerado algunas características básicas para dicho horno, como son, una potencia de 30 kW térmicos, concentraciones pico superiores a los 10 000 soles, un sistema óptico de facetas múltiples con un área de captación cercana a los 40 m2, y una distancia focal de 3.68 m. El horno solar contará con un helióstato de 70 m2, y un edificio de laboratorios para albergar salas de instrumentación y control de los experimentos. El edificio estará equipado con ordenadores, sistemas de adquisición de datos, monitores de video para la observación de experimentos, dispositivos automáticos para los controles del helióstato, atenuador, mesa de ensayos, e instrumentos para monitorear las variables involucradas en los experimentos llevados a cabo en la zona focal.

Con lo anterior, surgió el problema del diseño óptico del HSAFR. Para resolverlo, durante la realización de la tesis, se modeló la concentración de la energía solar mediante el método de trazado de rayos usando la técnica de la convolución. El modelo se implementó a través de un programa de cómputo que permitió conocer las formas e intensidades de las distribuciones de radiación en la zona focal del sistema óptico. El programa de cómputo, desarrollado, permite la simulación de una gran diversidad de configuraciones ópticas, lo que facilitó la realización de los estudios paramétricos requeridos para la optimización del diseño. El trabajo que se desarrolló, como tema de esta tesis, contribuyó de manera fundamental al diseño óptico del HSAFR, con el fin de lograr las características deseadas.

A continuación se describen las etapas que se siguieron para la realización de esta tesis

Planteamiento y solución del modelo matemático

Para el estudio óptico del dispositivo se consideró la metodología de trazado de rayos. Para ello se colaboró de manera cercana con investigadores del la Universidad Complutense de Madrid y del CIEMAT en España. De esta colaboración, se desarrolló un código de simulación que fue implementado en el programa de cómputo elaborado en esta tesis.

Validación del Código Numérico

Los resultados de las simulaciones fueron comparados con otro software disponible. También se realizó la comparación con resultados experimentales obtenidos de otros concentradores solares como son el DEFRAC, en el CIE-UNAM; o el horno solar de la PSA, en España.

Estudio Paramétrico

Con la información teórica disponible se realizó el estudio paramétrico de diversas configuraciones ópticas, a fin de definir la configuración final del sistema que permitieran alcanzar las características deseadas.

Elaboración de trabajos y reportes de investigación

A partir de los resultados esperados en el desarrollo de la tesis se elaboraron, en colaboración con otros investigadores, diversos reportes que contemplan, artículos de investigación y trabajos en congresos.

ABSTRACT

En este trabajo se presenta el diseño, la construcción y la puesta en operación de un receptor de cavidad cónica para ser usado como calorímetro en el concentrador solar de foco puntual denominado Dispositivo para el Estudio de Flujos Radiativos Altamente Concentrados (DEFRAC) del CIE-UNAM. Este calorímetro permite determinar la potencia de concentración solar del DEFRAC. La finalidad al construir este tipo de receptor de cavidad fue lograr concentrar el total de la potencia del DEFRAC y reducir al máximo posible las pérdidas de energía y aumentar la eficiencia de absorción. Para diseñar el dispositivo, se realizó un análisis teórico de la eficiencia de absorción del receptor, de la emitancia aparente de la cavidad, así como una simulación de la distribución de flujo radiativo en el interior del cono. Con los resultados de los análisis anteriores se llevó a cabo una optimización de los parámetros de diseño para obtener un receptor con una alta absortancia aparente, con una alta eficiencia de absorción y con una distribución más homogénea de flujo en el interior del cono, que permita una mejor remoción de calor. Los parámetros obtenidos fueron los siguientes: el radio de apertura de la cavidad Ra = 1.62 cm, el ángulo de apertura del cono ω = 15° , la relación de bafle ξ = 0.65, el radio de la base del cono Ro = 4.28 cm y la altura del cono L = 159.9 mm. Se calculó la emitancia aparente de la cavidad resultando ser de 98%, correspondiéndole una eficiencia de absorción del 95% para una temperatura de operación de 500 K.

El calorímetro se construyó utilizando acero inoxidable y cobre como materiales base del cuerpo del dispositivo. Estos materiales se seleccionaron después de un análisis que consideró, entre otras cosas, las temperaturas máximas permitidas, la alta conductividad térmica y la resistencia a la corrosión. Por último, se realizan una serie de experimentos, para evaluar la cavidad calorimétrica, donde se determinó la potencia de concentración del sistema, la eficiencia de absorción del receptor, así como la distribución del flujo radiactivo en las paredes del receptor. Se determinó experimentalmente que la eficiencia de absorción de la cavidad calorimétrica operando el DEFRAC con los 18 espejos fue del 96.3%.