Mostrando artículos por etiqueta: Tesis Maestría en Ingeniería

Abstract

A lo largo de este documento se presenta en detalle la caracterización óptica de un sistema de concentración solar de Torre Central. Se presenta una breve introducción de la tecnología solar así como de sus características, se enfoca en los componentes que la conforman y principalmente en la caracterización óptica de los sistemas reflectores tipo helióstato, analizando sus errores en seguimiento y proyección solar a través de algoritmos de evaluación y mediante un método conocido como deflectometría o proyección de franjas.

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Una forma de aprovechar la energía solar es convertirla en energía térmica a alta temperatura mediante dispositivos de concentración solar. Los sistemas de torre central se utilizan para la producción de electricidad a partir de la radiación solar concentrada por grandes espejos planos (helióstatos). Un receptor colocado en la parte superior de la torre transfiere la energía solar a un fluido para su posterior aprovechamiento. En este trabajo se realiza un estudio numérico de la convección natural y forzada en régimen turbulento en el receptor de un sistema termosolar de torre central, el receptor rectangular de cavidad tiene dimensiones de 1 m x 2 m x 2 m, donde la pared opuesta a la abertura se mantiene a una temperatura uniforme y constante. Se analizaron 7 temperaturas de esta pared del receptor: 400, 500, 600, 700, 800, 900 y 1000 K. Para el caso donde se toma en cuenta la convección forzada se consideraron dos corrientes de aire por separado, una con orientación perpendicular a la abertura y dos velocidades de viento de 5 y 10 m/s; otra con orientación paralela a la abertura y mismas dos velocidades. Se reportan los campos de temperatura, patrones de flujo y el análisis de la transferencia de calor.

Para la solución del problema físico planteado se hace uso del programa de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Fluent, el cual hace uso del método numérico de volumen finito para la solución de las ecuaciones de conservación. Se utilizó el algoritmo SIMPLE para calcular la presión y la velocidad secuencialmente. Para la discretización de los términos advectivos de las ecuaciones de conservación y turbulencia se hace uso del esquema upwind de segundo orden, y para el término de presión el PRESTO.

Una vez aproximada la solución de estas ecuaciones, se encuentra que el espesor de las capas límites térmicas e hidrodinámicas para convección natural aumentan conforme disminuye el número de Rayleigh. También se reporta la aparición de un plano de simetría para los casos de convección natural y de convección combinada (natural y forzada) con una corriente perpendicular a la abertura. El tomar en cuenta la convección forzada afecta notablemente tanto la distribución de los patrones de flujo como el campo de temperatura dentro de la cavidad.

Por otro lado también destacan los resultados sobre el análisis de la transferencia de calor, en los que se aprecia como el número de Nusselt aumenta con el incremento del número de Rayleigh y de Reynolds. El caso en el que solo se considera convección natural reporta las menores pérdidas de calor siendo de 18.73 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 2.07 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), en comparación de las más altas registradas para el caso de convección combinada con orientación de viento perpendicular a la abertura y Re=1.26x106 (10 m/s) que son de 31.80 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 6.25 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), es decir se da un incremento de 70% y 202% respectivamente

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Sin resumen en la tesis

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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).

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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.

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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.

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En este trabajo se presentan las etapas de diseño de un horno solar de alta concentración con capacidad de 1kW térmico, para el cual han sido analizadas diversas opciones en cuanto a arreglos de los componentes ópticos; así como también de distintos mecanismos y sistemas de movimiento para apuntamiento solar en la operación del horno. Para esto han sido empleadas distintas herramientas y técnicas de diseño como son las simulaciones ópticas mediante trazado rayos y modelado asistido por computadora de elementos mecánicos. En base a simulaciones, se evaluaron las características de desempeño general del horno para diversos días del año y con distintos tipos de concentradores. Se presentan también las características de los mecanismos de movimiento para el helióstato del horno, los cuales son únicos en su tipo para esta aplicación. Es presentada la metodología y los resultados de pruebas de caracterización del horno para determinar sus principales propiedades, como son la eficiencia óptica, nivel de concentración, potencia del sistema y cuantificación de la desviación (deriva) que presenta el horno en conjunto.