Carlos Alberto Pérez Rábago

Tutor: Claudio A. Estrada Gasca

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 radiativo 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%

Publicado en Tesis

David Riveros Rosas

Tutor: Claudio A. Estrada Gasca

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.

Diseño óptico del horno solar de alto flujo del CIE-UNAM

Publicado en Tesis

Leonel Reyes Ochoa

Tutor: Dr. Carlos A. Pérez Rábago

Abstract

Dada la importancia de promover la investigación y desarrollo de las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Universidad de Sonora (UNISON) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, han impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar, encontrándose entre sus objetivos la reciente construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR) en el Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM. Dicho horno solar se encuentra conformado por dos subsistemas principales: un concentrador parabólico que concentra la radiación den un punto focal y un helióstato plano de 81 m2, el cual se encarga de redireccionar la luz solar hacia el concentrador.

En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación de una metodología original para la alineación de helióstatos planos en base a una revisión de las técnicas de alineación existentes a fin de obtener un frente de onda plano reflejado por un helióstato, que maximice los niveles de concentración de radiación que pueden obtenerse en hornos solares de alto flujo radiativo.

De manera complementaria se describe la campaña experimental para la evaluación y caracterización de la alineación propuesta y se presentan los resultados obtenidos, dentro de los cuales podemos mencionar la determinación del error óptico del sistema helióstato- concentrador, comparativas cuantitativas y cualitativas con una metodología alternativa de alineación, un procesamiento de imágenes para mostrar la mejora del desempeño del HSAFR mediante la alineación del helióstato al maximiza la densidad de radiación solar concentrada. Así mismo, se presenta el análisis y discusión de los resultados para determinar los parámetros más importantes en este estudio, así como las ventajas ofrecidas por esta metodología ante otras alineaciones.

Este trabajo busca contribuir a la investigación científica, mediante el desarrollo tecnológico y documentación de nuevo conocimiento en este campo de la ciencia que si bien, a nivel mundial tiene varias décadas en desarrollo, en México se presenta como un área de oportunidades importante que contribuya a reducir la brecha tecnológica que existe entre los países desarrollados y nuestro país, siendo este tesis pionera y de carácter único a nivel nacional para tornarse un antecedente para futuros estudios en el campo de la tecnología termosolar de alta concentración no sólo en México sino a nivel internacional.

Análisis y evaluación de parámetros característicos en la alineación de helióstatos planos para hornos solares de alto flujo radiativo

Publicado en Tesis

Moisés Montiel González

Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca

Abstract

La transferencia de calor conjugada en cavidades abiertas ha sido ampliamente estudiada en años recientes, debido a su directa relevancia en el diseño y caracterización de receptores de sistemas de concentración solar de foco puntual. En estos dispositivos se registran temperaturas superiores a 600 K, debido a que en ellos se lleva a cabo la captura de la radiación solar concentrada y los fenómenos que predominan son la convección natural y el intercambio radiativo superficial. Sin embargo, a altas temperaturas, la convección natural depende en gran medida de las propiedades termofísicas del fluido. En consecuencia, la variación de estas propiedades con la temperatura tiene una influencia significante sobre la transferencia de calor y sobre la dinámica del fluido. Por lo anterior, en este trabajo se presenta un estudio teórico-experimental de la transferencia de calor por convección natural y radiación térmica superficial en un receptor tipo cavidad cúbica abierta.

El estudio teórico consiste en resolver la convección natural laminar con radiación térmica superficial en una cavidad cuadrada abierta por un extremo, considerando dominio restringido al interior de la cavidad y paredes horizontales adiabáticas. Los parámetros gobernantes para este estudio son: números de Rayleigh de 104-106 y diferencias de temperatura de 10 K a 400 K entre la pared isotérmica y la apertura de la cavidad. Las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento y energía en estado permanente en 2D fueron resueltas numéricamente mediante la metodología de volumen finito utilizando el algoritmo SIMPLEC. Las propiedades termofísicas del fluido se consideran, como primer caso, variables con la temperatura en todas las ecuaciones gobernantes y, como segundo caso, se consideran propiedades termofísicas constantes, excepto la densidad en el término de flotación (aproximación de Boussinesq) de las ecuaciones de cantidad de movimiento, con el propósito de obtener los límites de validez de dicha aproximación, así como comparar los resultados de ambos modelos teóricos. El intercambio radiativo superficial se resuelve mediante la formulación de radiosidad-irradiancia. La verificación del código numérico se realiza con problemas de referencia reportados en la literatura, encontrándose buena concordancia entre los resultados. Por consiguiente, el código numérico desarrollado es confiable.
Los resultados teóricos incluyen el efecto de las propiedades termofísicas variables sobre el campo térmico y de flujo así como la variación del número de Nusselt total promedio como función del número de Rayleigh y de las diferencias de temperatura adimensionales.

El estudio experimental incluye la integración, montaje y puesta en operación de los componentes de un mini-horno solar, así como el diseño, caracterización de materiales, construcción, instrumentación y puesta en operación de un receptor tipo cavidad cúbica abierta para realizar las pruebas experimentales y así comparar con los resultados de los modelos teóricos.

En los resultados experimentales se presentan las temperaturas del aire medidas en el interior del receptor y la comparación con las temperaturas obtenidas con los modelos teóricos. Como resultado de la comparación de las temperaturas teóricas respecto a las experimentales, se obtuvo una desviación promedio de 3.0 % con el modelo de propiedades termofísicas variables y de 5.4% con el modelo de la aproximación de Boussinesq.

Transferencia de calor en un receptor de energía solar concentrada del tipo de cavidad cúbica abierta

Publicado en Tesis

Ricardo A. Pérez Enciso

Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca

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 radiativo 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.

Caracterización óptica y térmica del horno solar del IER

Publicado en Tesis

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Entrevista HoSIER Factor Ciencia Canal Once (14/12/2015)