#Tesis 2018

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.