#Tesis 2020

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 se presenta la evaluación teórica y experimental de los efectos provocados por los errores ópticos de canteo y pendiente, de helióstatos concentradores en una planta de torre central. Se desarrolló una metodología experimental para la adquisición de las características ópticas de los helióstatos, mediante una modificación al método de franja. Se determinaron pendientes de superficie en el rango de 5x10-3 radianes por faceta. Los resultados de la caracterización óptica experimental de heliostatos se ingresaron en el simulador por trazado de rayos Tonatiuh, para obtener las distribuciones de radiación solar concentrada en el receptor central. Las distribuciones teóricas de radiación solar concentrada se compararon con las distribuciones experimentales del helióstato F0 en el Campo Experimental de Torre Central (CEToC) en la Plataforma Solar de Hermosillo (PSH). Para realizar las simulaciones teóricas se definió un parámetro de densidad de datos de área de faceta, denominado el número de muestras por lado de faceta (SPFS por sus siglas en inglés), realizando un barrido con diferentes SPFS para cada una de las simulaciones. Utilizando los datos de pendiente y canteo obtenidos experimentalmente de F0, se realizaron simulaciones de los efectos de: grado de los errores de pendiente (desde 1 hasta 8 mrad), distancia focal del helióstato (desde 70 hasta 140.4 metros) y la diferencia entre canteo esférico y canteo experimental. Se demostró que para una gran variedad parámetros simulados solo se requieren 48 SPFS (equivalentes a un punto de muestreo cada 2.5 cm). Adicionalmente se utilizaron los datos de referencia de F0 para la simulación de 80 helióstatos y se compararon los resultados obtenidos con helióstatos ideales. Se encontró que la densidad de potencia máxima se reduce en un 28.4% con respecto a los helióstatos ideales. Se dividió el campo en 40 helióstatos cercanos y 40 helióstatos lejanos, obteniendo que los heliostatos cercanos aportan un 67.96% de la densidad de potencia máxima en el receptor, mientras que los helióstatos lejanos aportaron el 32.04% restante.