Noe Ari Flores Montijo

Tutor: Dr. Rafael Enrique Cabanillas López

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.

Evaluación térmica de un receptor volumétrico confinado para uso en reactores solares

Publicado en Tesis

Resty Levy Durán Montaño

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox

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.

Estudio teórico del efecto de las cargas del viento sobre los elementos estructurales de heliostatos

Publicado en Tesis

Cuitláhuac Iriarte Cornejo

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox, Dr. Camilo Alberto Arancibia Bulnes

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.

Evaluación teórica y experimental del efecto de los errores de pendiente y canteo en helióstato concentradores sobre la distribución de flujo solar concentrado

Publicado en Tesis

Doria Alejandra Ochoa Romero

Tutor: Dr. Rafael García Gutiérrez

Abstract

En el presente trabajo de investigación se llevaron a cabo experimentos con diferentes películas de nanodiamante sobre sustratos de silicio para su posible aplicación como cátodo en dispositivos de emisión termoiónica asistida por fotones (PETE, por sus siglas en inglés). La emisión PETE convierte la luz solar en electricidad por medio de la combinación de excitación fotónica y térmica de los portadores de carga, lo que tiene como resultado una emisión de electrones al vacío y los cuales pueden ser captados por un ánodo. Las películas utilizadas como cátodos fototermoiónicos fueron de ultrananodiamante (UNCD), ultrananodiamante dopadas con boro (B-UNCD), ultrananodiamante al que se le dio un tratamiento térmico con amoníaco (NH-UNCD) y películas de microdiamante (MCD). Se diseñó y construyó un generador fototermoiónico para realizar las mediciones de emisión de corriente PETE, y se utilizó un simulador solar de alta concentración para irradiarlas. Los experimentos se realizaron variando las concentraciones de luz con las que se excitaron las celdas, así como la diferencia de potencial aplicada entre el ánodo colector de electrones y el cátodo. Se encontró que las cuatro películas lograron emitir electrones, mostrando mejores resultados las celdas de B-UNCD y NH-UNDC. El UNCD sin dopaje mostró un buen comportamiento en las curvas de densidad de corriente en función de la temperatura, sin embargo, se observaron menores corrientes que en las películas de B-UNCD y NH-UNCD. En las películas de MCD, aunque se logró obtener mediciones de emisión de corriente electrónica, no se presentó un buen comportamiento ya que se observaron múltiples caídas de corriente durante las experimentaciones. Debido a los resultados obtenidos se llegó a la conclusión de que las mejores condiciones de operación utilizadas en este dispositivo PETE construido fueron 600 KW/m2 y una diferencia de potencial de 12 V, y se proponen las películas de B-UNCD y NH- UNC como una opción muy atractiva para utilizarlas como cátodo emisor de electrones en dispositivos fototermoiónicos. Es importante mencionar que parte del trabajo experimental llevado a cabo se realizó en las instalaciones del Instituto de Energías Renovables de la UNAM.

Estudio de celdas fototermoiónicas basadas en películas de diamente nanocristalino sobre silicio

Publicado en Tesis

Noe Ari Flores Montijo

Tutor: Rafael Enrique Cabanillas López

Abstract

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.

Evaluación de la eficiencia térmica de un colector solar de tubos evacuados para aire de secado

Publicado en Tesis
Nidia Aracely Cisneros Cárdenas

Tutor: Rafael Enrique Cabanillas López

Abstract

Este análisis experimental consiste en la evaluación del desempeño térmico y eléctrico de un concentrador solar fotovoltaico de disco parabólico utilizado para la generación de potencia eléctrica a partir de celdas de triple unión. Este sistema fue desarrollado por investigadores de la University of Arizona; la óptica utilizada se denomina XRX-Kohler y logra una concentración de 1000x produciendo 1.2 kW y 2.4 kW eléctrico y térmico, respectivamente, a una radiación directa normal de 900 W/m2 y a una temperatura ambiente de 20°C. Se realizaron diferentes tipos de pruebas experimentales en las que se evaluó la capacidad de potencia de potencias térmica y eléctrica en operación normal, la producción máxima de potencia eléctrica, la producción de potencia eléctrica en función de la temperatura de operación y la producción de potencia eléctrica durante una jornada completa. Encontrándose valores máximos de eficiencia eléctrica instantánea de 24.3% y de 22.6% para operación continua para un día de operación.

Estudio experimental del desempeño térmico y eléctrico de CPV de disco parabólico con celdas de triple unión

Publicado en Tesis

Jorge Mondragón Robles

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox

Abstract

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

Estudio numérico de la transferencia de calor en el receptor de un sistema termosolar de torre central

Publicado en Tesis

Danyela Samaniego Rascón

Codirector: Dr. Camilo A. Arancibia Bulnes

Abstract

Ante la creciente motivación de los países por utilizar energía renovable para la producción de energía eléctrica, hoy en día las plantas termosolares han aumentado en número. Toda planta termosolar cuenta con espejos que concentran la luz solar en un punto llamado blanco, por lo que la presencia de luz solar concentrada en grandes cantidades es usual en este tipo de instalación. A causa de ésto, pueden surgir distintos riesgos, entre ellos de tipo cutáneo, quemaduras en la piel o bien de tipo ocular, ya sea de quemaduras en la retina, en un caso extremo, o de deslumbramiento momentáneo (post imagen), mismo que puede causar distracciones. Algunos estudios anteriores han proporcionado límites máximos permisibles de exposición a este tipo de radiación solar concentrada, así como también los posibles efectos ante dicha exposición. Cada vez aumenta la necesidad de la evaluación de riesgos en este tipo de plantas, con la intención que el ambiente laboral sea de seguridad evitando riesgos a la salud.

Debido a lo anterior, este trabajo tiene como objetivo brindar un análisis representativo que muestre la situación actual de una instalación de este tipo y posteriormente proponer medidas de seguridad para contrarrestar los riesgos potenciales, mediante una estimación de riesgos oculares por radiación solar concentrada en una instalación de tipo torre central destinada al aprovechamiento de energía solar.

La instalación en la cual se llevó a cabo el estudio es el Campo de Prueba de Helióstatos (CPH), operado conjuntamente por la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad de Sonora, y recientemente inaugurado, en Hermosillo, México. La evaluación de riesgos potenciales del brillo y resplandor, originados por el receptor y las superficies de los helióstatos, fue realizada de acuerdo con la metodologíapropuesta en las investigaciones más recientes. Los niveles de radiación reflejada que se obtuvieron en el estudio se comparan con los límites máximos permisibles expuestos en estudios anteriores, para posteriormente sugerir las zonas con clasificación de riesgo en base a la distancia.

Por último, existen diversas instituciones, asociaciones y normativas que se preocupan por la seguridad laboral ante la exposición de este tipo de INR, se retomarán los puntos clave y expresarán las recomendaciones necesarias en este tipo de industria.

Medición de los niveles de exposición a radiación solar concentrada en una instalación de aprovechamiento de energía solar de tipo torre central para la estimación de riesgos a la salud humana

Publicado en Tesis

Víctor Manuel Maytorena Soria

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox

Abstract

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.

Estudio teórico-experimental de la transferencia de calor conjugada en una cavidad cubica abierta en régimen turbulento

Publicado en Tesis

Pablo Sosa Flores

Tutor: Dr. Rafael E. Cabanillas López

Abstract

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.

Desarrollo de una metodología para el diseño y caracterización de un horno solar centrado en el eje con capacidad térmica de 1kW

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