Abstract

En el año 2015 se llevó a cabo la Conferencia de las Partes 21 (COP21) donde asistieron representantes de los países integrantes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC). Como resultado de esta conferencia surgió el Acuerdo de Paris el cual busca que todos los países tengan como causa común combatir el cambio climático.

Una de las alternativas que ayudarán a alcanzar la meta establecida en el Acuerdo de Paris, son las tecnologías de concentración solar térmica (CST, por sus siglas en inglés), las cuales se basan en concentrar la radiación proveniente del sol mediante dispositivos ópticos para su aprovechamiento.

Dentro de las instalaciones del Campo Experimental de Torre Central (CEToC), existe un dispositivo de medición de flujo de calor concentrado que utiliza la técnica de calorimetría de agua fría, el cual cuenta con un modelo numérico para validar las estimaciones teóricas de las mediciones de provistas por uno o varios heliostatos, sin embargo, el modelo numérico no cuenta con la definición de una condición de frontera constante no uniforme.

En el presente trabajo se realizó un estudio numérico de la transferencia de calor del receptor-calorímetro del CEToC con el software de dinámica de fluidos computacional comercial Ansys Fluent, en el cual a través de un análisis de imagen de la distribución de calor obtenida mediante experimentación, se estableció una condición de frontera que asemeje dicha distribución, con lo cual se mejoró la predicción numérica del modelo.

Como resultado de esta investigación, se obtuvo una menor diferencia respecto a los resultados experimentales conforme se aumenta el número de Reynolds y el número de Rayleigh, de la misma manera, en el análisis para 7 y 1 heliostatos se tuvo una diferencia absoluta global de 0.42%, y 0.17%, respectivamente.

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 respectivamete.

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.

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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.

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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.

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Se diseñó y desarrolló un colector solar de tubos evacuados con el propósito de calentar aire a temperatura ambiente para usarlo en procesos de secado. El presente estudio fue realizado para evaluar la eficiencia térmica instantánea y global para el equipo. Para lograrlo se midieron las temperaturas del aire de entrada y de salida del colector, también el flujo másico y la irradiancia a lo largo del día. Con estos datos se calculó la cantidad de calor absorbida por el fluido, se obtuvo la eficiencia instantánea usando los valores de la radiación solar global en el mismo plano del colector y posteriormente se determinaron las eficiencias globales. El dispositivo consiste en un tubo de polipropileno de 0.70 m. de largo donde se encuentran colocados 5 tubos evacuados, cuyas medidas son de 1.80 m. de largo, el diámetro del tubo de vidrio exterior es de 0.0582 m. y el diámetro del tubo absorbedor interior es de 0.0451 m., presentando un área efectiva de 0.515 m2. Mediante un arreglo estructural compuesto por un conducto de acero inoxidable con tubería Conduit de pared delgada se inyecta aire dentro de cada uno de los tubos evacuados. El estudio se realizó durante varios días para obtener las curvas de comportamiento térmico del colector bajo diversos flujos de aire. En una primera etapa se mantuvo un flujo constante. Se obtuvieron incrementos de temperatura de hasta 45°C con temperaturas de salida de 80°C y eficiencias de alrededor del 60%. En una segunda etapa se varió el flujo másico y se observaron incrementos de temperatura entre la entrada y la salida del colector de 30°C a 50°C alcanzado temperaturas máximas de salida de hasta 90°C, se calcularon eficiencias de 40% para las altas temperaturas de operación y valores de 60% para incrementos pequeños. De acuerdo con las tendencias lineales presentadas en el incremento de temperatura es posible diseñar sencillos sistemas de control de temperatura para secadores instrumentados.

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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.

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Sin resumen en la tesis

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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.