Super User
Javier Licurgo Pedraza
Tutor: Carlos Alberto Pérez Rábago
Abstract
El estudio de los procesos termoquímicos solares va de la mano del conocimiento de los sistemas de alta concentración solar, junto con el diseño de reactores químicos que permitan evaluar dichos procesos. Estos procesos termoquímicos están destinados a dos campos de aplicación: el almacenamiento de energía y la producción de combustibles solares como el hidrógeno. En particular los procesos termoquímicos basados en ciclos de reducción-oxidación de óxidos metálicos, tienen lugar en ambos campos de aplicación. El presente trabajo tiene por objetivo caracterizar un reactor químico solar de tipo rotativo. Dicha caracterización se realizó por la vía experimental y fue probado en las instalaciones del Horno Solar del Instituto de Energías Renovables de la UNAM. Se presentan los resultados de la caracterización térmica, tiempos de residencia y conversión química del reactor.
Para la caracterización térmica se diseñó un experimento con una muestra de grafito, el cual se colocó al interior del RR-HoSIER en una atmósfera inerte. Las pruebas consistieron en irradiar la muestra a una potencia constante hasta alcanzar un estado estable. Con esta prueba se calculó una eficiencia térmica sin conversión química la cual fue de aproximadamente 18%. Cabe resaltar que las condiciones experimentales para estas pruebas sirvieron como base experimental para incursionar en la medición de temperatura en entorno de alta concentración solar por métodos indirectos, en este caso mediante termografía. Sin embargo el área de medición de temperaturas en ambientes de alta concentración solar es un campo de estudio en desarrollo y un análisis en extenso de estas técnicas quedan fuera de los alcances del presente trabajo.
Dentro de la caracterización térmica incluye pruebas de máxima temperatura alcanzada en el interior del reactor. En este caso para inferir dicha temperatura se llevó a cabo una prueba destructiva. Para la prueba se colocó al interior del reactor una muestra de tungsteno montado en una placa de grafito, éste último sirvió como crisol. En presencia de una atmósfera inerte, la muestra se irradió con radiación solar concentrada. Los resultados obtenidos fueron la fundición de tungsteno a una temperatura aproximada de 3680 K, sin llegar a fundir el grafito lo cual ocurre a una temperatura aproximada de 3800 K. Con los resultados obtenidos de dichas pruebas se infiere que las temperaturas máximas alcanzadas en el reactor están en éste rango de temperatura.
La caracterización de tiempos de residencia, sirve para determinar el comportamiento que tiene el flujo de gases al interior del reactor, para poder compararlo con los modelos de flujo ideal, en este caso se busca comparar con un modelo ideal de flujo pistón. Los modelos de flujo ideal se ajustan a modelos ideales de cinética de reacciones químicas lo cual sirve para extender un análisis de las reacciones químicas que ocurren dentro de un reactor. Existe un parámetro adimensional que determina la dispersión que tiene un gas en interacción con un gas de arrastre. Para un flujo pistón el parámetro de dispersión D/uL es menor a 0.001. Para las pruebas con el reactor se introdujo un flujo continuo de argón como gas de arrastre. A manera de trazador, se inyectó un pulso súbito e instantáneo de oxígeno. Con un analizador de oxígeno se midió la concentración de la mezcla de gases a la salida del reactor. De las pruebas se calculó un parámetro de dispersión D/uL = 0.08, lo cual indica que el reactor no se ajusta al modelo de flujo pistón. Para el caso del RR-HoSIER que no se ajusta al modelo ideal de flujo pistón complica realizar estudio de cinética de reacciones, por tal razón se proponen trabajos futuros para mejorar el desempeño RTD del reactor.
La caracterización química del reactor que se presenta en este trabajo se enfoca en pruebas de reducción-oxidación de óxido de cobre. Cabe mencionar que los estudios se enfocan más para aplicaciones de almacenamiento termoquímico que para producción de hidrógeno. Como se mencionó anteriormente el reactor es de tipo rotativo, es decir que el crisol donde se llevan a cabo las reacciones químicas puede girar. Sin embargo se realizaron pruebas que permitieran comparar la operación del reactor en modo estático y en modo rotativo en una atmósfera de gas argón, ambas pruebas se realizaron con 10 gramos de óxido de cobre. Para las pruebas en estático se introdujo en el reactor una probeta de alúmina con el óxido empaquetado en su interior y no se hizo girar al reactor. Para las pruebas en rotativo, el óxido se colocó en el crisol y se hizo rotar. De los resultados se obtuvieron conversiones químicas de 13% en estático y de 80% en rotativo. También se lograron resultados satisfactorios de reducción de óxido de cobre en aire y se pudieron completar ciclos de reducción-oxidación también en presencia de aire.
El desarrollo de las tecnologías de concentración requiere de ambientes de laboratorio adecuados para la realización de experimentación y pruebas de dispositivos. Sin embargo, los sistemas de concentración generalmente requieren del seguimiento continuo del Sol, lo que representa un problema para la realización de pruebas e instrumentación de los experimentos. Un Horno Solar es un sistema de alta concentración que provee una atmósfera y espacio de trabajo adecuados, en donde la radiación de energía para calentamiento puede ser controlada con precisión y modificada con rapidez. Un Horno solar es básicamente un instrumento de investigación científica.
Los hornos solares se constituyen de un sistema óptico compuesto por un helióstato con seguimiento automático del Sol que refleja la radiación solar a un espejo concentrador. El espejo concentrador puede ser un espejo paraboloide o un grupo de espejos esféricos. Debido a que la zona focal del espejo concentrador está fija, es sencillo instalar aparatos experimentales o de aplicación. El nivel de potencia del Horno es ajustado usando un atenuador, que trabaja como una persiana veneciana, y está localizado ente el helióstato y el concentrador.
Los hornos solares cubren un amplio espectro de aplicaciones, por ejemplo:
- Procesamiento y manufactura de materiales avanzados: cerámicas metalizadas para componentes electrónicas, fulerenos y nanotubos.
- Determinación de propiedades termofísicas bajo luz solar concentrada, incluyendo expansión térmica, conductividad y difusividad térmicas, calor específico, propiedades mecánicas, y emisividad y emitancia espectral.
- Determinación del funcionamiento y los límites de falla de materiales cerámicos y refractarios.
- Envejecimiento acelerado de materiales por UV.
- Desarrollo de receptores para la tecnología de plantas de generación de potencia termosolar.
- Descomposición térmica y termoquímica del agua para la producción de Hidrogeno.
- Simulación de efectos térmicos en presencia de flujo radiativo altamente concentrado.
- Destrucción de materiales tóxicos: industriales, orgánicos, desechos hospitalarios, etc.
Existen pocos hornos solares en el mundo, entre los cuales destacan los siguientes:
- Centro Nacional de la Investigación Científica (CNRS) en Odeillo, Francia de 1000 kWt
- Instituto Paul Scherrer (PSI), Suiza de aproximadamente 25-40 kW
- Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Colorado, USA de 10 kW
- Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT) ubicado en la Plataforma Solar de Almería (PSA), España de 45 kW
- Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Colonia, Alemania de 20 kW
Los sistemas de disco parabólico, o mejor conocidos como Dish-Stirling, deben su nombre a que están diseñados con espejos parabólicos de revolución y un motor de combustión externa Stirling. Estos motores se ubican en la zona focal del concentrador para transformar la radiación solar en electricidad. Los discos-Stirling, por su tamaño, independencia y modularidad, pueden abastecer de electricidad a regiones donde la densidad de población es baja y dispersa. Llevar electricidad a estas regiones con sistemas convencionales resulta poco rentable.
Recientemente se tienen dos proyectos para la construcción de dos plantas solares para generar energía eléctrica con esta tecnología. Se trata de los proyectos SES solar one y SES solar two. Para ello se utilizarán los sistemas McDonell Duglas, ahora propiedad de la compañía Stirling Energy Systems Inc. Cada sistema tiene una capacidad de 25 kW. De realizarse dichos proyectos, estos serán las primeras plantas comerciales que utilicen esta tecnología para la generación de energía eléctrica (www.stirlingenergy.com).
La planta SES solar one, contempla la instalación de 34 000 sistemas, en dos etapas, para una capacidad de generación de 850 MW. Este proyecto estaría ubicado en San Bernardino County en una zona sin desarrollo en el desierto de Mojave. El proyecto SES Solar two, se ubicará en Imperial Valley, California. La planta contará entre 12 000 y 36 000 sistemas, en la primera fase tendrá una capacidad de 300 MW y posteriormente se ampliará a 900 MW.
En la actualidad, la investigación sobre estos sistemas se ha orientado al desarrollo de micro turbinas de gas en lugar de la opción del motor Stirling (Ciclo Bryton). El concepto de utilizar combustibles fósiles con sistemas solares no es nuevo y se ha probado para todas las tecnologías que se han descrito anteriormente. Estas pequeñas turbinas se han desarrollado a partir de una tecnología madura y de mayor fiabilidad que la asociada a los motores Stirling. La eficiencia de conversión calor-electricidad es de aproximadamente el 30% que es menor que la de los motores Stirling. También se están trabajando en la reducción de costes asociados a la eficiencia óptica del concentrador y de los sistemas de seguimiento. En la Universidad Nacional de Australia se prueba un prototipo de gran tamaño llamado el “Big Dish” de 400 m2 y una capacidad de 150 kWth; está diseñado para funcionar con un generador de vapor de 50 kWe o para utilizarse en la cogeneración con producción de vapor solar.
Los sistemas de Torre central conocidos como CRS (Central Receiver System) están constituidos por cientos o miles de espejos con seguimiento en dos ejes (helióstatos) que reflejan la radiación solar sobre una región focal que se sitúa a una altura suficiente para evitar sombreamientos entre helióstatos cercanos entre sí. Estos sistemas pueden concentrar la luz solar hasta 600 veces y operar a temperaturas entre los 250°C y 1000°C. Desde sus inicios los CRS fueron concebidos para la generación de alta potencia. Las primeras plantas de prueba se terminaron de construir, a principios de los años ochenta en España (CRS), en Italia (Aurelios) y en Japón (Sunshine). Las potencias de estas plantas eran de 0.5 0.75 y 1 MWe respectivamente. La planta Sunshine operó durante 3 años mostrando la viabilidad de la tecnología. En estados Unidos se construyó solar-one, un CRS de 10 MWe que operó de 1982 a 1988. Hacia 1985 se construyeron CESA-1 en Tabernas, España; y C3C-5 en Crimea, Rusia.
A partir de 1996, en Estados Unidos, se construyó y puso en operación Solar Two que funcionó de 1997 a 1999. Esta planta se construyó a partir de Solar-One, pero el fluido de trabajo se cambió de agua/vapor a sales fundidas. El abaratamiento de los sistemas de control y equipo de cómputo ha permitido experimentar con plantas de menor capacidad. En Australia, se experimenta con sistemas centrales donde la Torre central tiene 25 metros y el tamaño de los helióstatos es de 5 a 10 m²; a diferencia de los sistemas convencionales donde la torre tiene alturas superiores a 50 m y los helióstatos de puede ser de 60 a 150 m².
Los primeros sistemas comerciales han iniciado su operación o se encuentran en proceso de construcción. La planta solar PS10 tiene una capacidad de 10 MWe y entró en operación en el año 2007, fue construida por la compañía Abengoa con la participación de la Unión Europea y esta ubicada en Sevilla, España. La planta cuenta con una torre de 100 m de altura y 624 helióstatos con un área de 120 m² cada uno. El fluido de trabajo que utiliza es de vapor saturado y trabaja a una temperatura de 250°C. Otras dos plantas están por entrar en operación: La PS20 que tiene el doble de capacidad de la PS10 y su ubicación será adyacente a la PS10. La planta Solar-Tres será construida en Córdoba, España y tendrá una capacidad de 15 MWe y operará con un receptor de sales fundidas aprovechando la experiencia de Estados Unidos con la planta Solar- Two
Canal Parablólico
Un colector solar cilíndrico parabólico (CCP) está compuesto por un canal cuyo perfil tiene forma de parábola. Esta geometría permite que la radiación solar que incide paralela al eje focal de la parábola se concentre en el foco de la misma. El foco de la parábola se extiende como una línea focal a lo largo de todo el canal. Sobre esta línea se coloca un tubo receptor que contiene un fluido térmico (generalmente aceite) que Se calienta cuando el tubo absorbe la radiación solar.
Estos sistemas suelen trabajar por encima de los 100°C, y pueden acoplarse a un ciclo Rankine de agua vapor para producir electricidad. El sistema en su conjunto tiene 3 componentes: el sistema de concentración, el generador de vapor, y el sistema de potencia. Actualmente, el mayor complejo comercial que opera en el mundo se encuentra en el desierto de Mohave en Kramer Junction (California, USA). Y está constituido por 8 plantas CCP, con una capacidad instalada de de 340 MWe. Sin embargo, el costo de la electricidad producida en este tipo de plantas aun es demasiado alto para lograr una expansión comercial. La electricidad obtenida de esta manera resulta poco competitiva frente a las centrales eléctricas convencionales. Es necesario usar estrategias gubernamentales o políticas como la asignación de subsidios a la producción o bien incentivos fiscales a la inversión para lograr crear un mercado que pueda abaratar los altos costos iniciales de instalación.
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Concentradores de Fresnel
Otra opción, a las plantas CCP, son los concentradores de Fresnel, que representan una aproximación de un canal parabólico. Este tipo de concentradores pueden considerarse como un particionamiento de un perfil parabólico y los segmentos son colocados en una superficie plana.
Esquema de funcionamiento de un concentrador de canal parabólico |
Esquema de funcionamiento de un concentrador de Fresnel |
La idea es lograr mantener fija la zona focal del concentrador y, a cambio de ello, los delgados segmentos del concentrador redireccionan la radiación solar a la zona focal del sistema. Entre las ventajas de este sistema puede mencionarse que: los motores y el sistema mecánico y estructural es más barato que en el caso de un canal parabólico convencional. Por otro lado si los segmentos son suficientemente delgados, pueden ser aproximados por segmentos planos en lugar de tener curvatura, esto hace aun más barata su construcción. Por otro lado el diseño estructural es más económico por estar a nivel del suelo y se aprovecha mejor la superficie, al poder colocarse uno tras otro sin sombreamientos entre varios sistemas. La primera planta comercial de esta tecnología es de 1.4 MWe, de la empresa Novatec-Biosol, y entró en operación en 2009. Otra planta comercial, de 10 MWe, se está desarrollando en Gotarrendura, España, por la empresa alemana Solar Power Group. El diseño de esta última, se realizó en base al trabajo desarrollado con el prototipo Solarmundo que fue probado exitosamente en Lieja, Bélgica.
Pruebas experimentales Gasificación de PET CIATEQ
Marzo 2015
El CIATEQ, A. C. desarrolló un prototipo de gasificación de PET para una empresa que genera grandes volúmenes de este material. Este prototipo ha sido probado por el mismo CIATEQ con gas LP y resistencia eléctrica hasta alcanzar en la superficie interna del reactor una temperatura de 700°. El CIATEQ solicito el pasado mes de marzo, realizar una campaña experimental tanto para hacer una caracterización del gas de síntesis producido (CO, CH4 y H2), así como el probar La tercer fuente térmica que se utilizará será energía solar concentrada a una temperatura de operación de entre 650°C y 800°C
Campaña Experimental CuO con la Universidad de Antofagasta
Octubre 2014
Reunión del Proyecto STAGE
Octubre 2014
Reunión del Proyecto COSOLpi
Abril 2014
LACYQS I Proyecto: CONACYT LN-56918
Responsable Académico: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Período reportado: Junio 2007 - Diciembre de 2010
El propósito del Laboratorio Nacional de Infraestructura en Sistemas de Concentración Solar y Química Solar, primera etapa, que hemos denominado LACYQS I (LAboratorio de Concentración Y Química Solar) por simplicidad, ha sido constituir una red de grupos de investigación que, a través del diseño, construcción y operación de tres instalaciones solares, permitan avanzar en el desarrollo de las tecnologías de concentración solar en México, generando conocimiento científico y tecnológico, así como formando recursos humanos de alto nivel en el área. Los tres instalaciones solares desarrolladas son: el Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HoSIER), la Planta Solar Piloto para el Tratamiento Fotocatalítico de Aguas Residuales (PSTFAR) y el Campo de Pruebas para Helióstatos (CPH).
LACYQS I es un proyecto cofinanciado por el CONACYT, la UNAM y la UNISON. Fue aprobado por el CONACYT en mayo del 2007. En marzo del 2011 se inauguraron las instalaciones (HoSIER y PSFTAR) ubicadas en el Centro de Investigación en Energía de la UNAM (actualmente Instituto de Energías Renovables IER-UNAM) en Temixco, Morelos, y en octubre del 2011 se inauguraron las instalaciones ubicadas en la Universidad de Sonora en Hermosillo, Sonora.
El proyecto general fue coordinado por académicos del IER-UNAM y por académicos de la UNISON; tanto del Departamento de Ingeniería Química y Metalúrgica, como de la Oficina de Transferencia Tecnológica de la UNISON que en su momento se denominó TexTec. La colaboración UNAM-UNISON se centro en el desarrollo del CPH.
Por otra parte, en el diseño y construcción del HoSIER se contó con la participación del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET-UNAM), del Centro de Investigación en Matemáticas (CIEMAT) y del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). A este último se le encargó la construcción e instalación de las superficies especulares y sus estructuras de soporte (concentrador y helióstato)
LACYQS II Proyecto: CONACYT LN-123767
Responsable Académico: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Período reportado: Mayo 2012 - Mayo de 2015
El objetivo general del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar, Segunda Etapa (LACYQS II) es avanzar en el conocimiento de las tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar, poniendo a prueba sistemas de concentración solar con conceptos novedosos. Esto incluye repotenciar la infraestructura previamente desarrollada en la primera etapa (proyecto CONACYT 56918) y consolidar la red de grupos de investigación que se ha logrado integrar en el área, gracias a este proyecto. También se desea seguir formando recursos humanos de alto nivel y especialización e impulsar el desarrollo de una industria nacional de tecnologías de concentración solar. Este proyecto es el primero en su tipo en Latinoamérica, lo que permitirá posicionar a México en el ámbito mundial en el desarrollo de estas tecnologías.
La investigación y el desarrollo de las tecnologías de concentración solar y el estudio de sus aplicaciones abarca un amplio espectro temático, el proyecto propuesto se dividió en tres subproyectos que atienden a diferentes aspectos de la ingeniería solar de concentración. En cada uno de ellos se realiza investigación científica, desarrollo tecnológico e implementación de una instalación experimental. Los tres subproyecto con sus respectivos objetivos aparecen en seguida.
Laboratorio de termoquímica solar (LaTeQS)
El objetivo general de LATeQS es contribuir al desarrollo de las tecnologías de almacenamiento de la energía solar térmica por métodos termoquímicos. En particular, se ha complementado la infraestructura del HoSIER con capacidades de análisis químico para evaluar dichos procesos. También se tienen como objetivos el diseñar y poner en operación reactores solares para llevar a cabo investigación en ciclos termoquímicos de producción de Hidrógeno.
Campo experimental de torre central (CEToC)
El objetivo general del CEToC es, a partir del CPH desarrollar un sistema de torre central de 1 MW de potencia térmica para el desarrollo de proyectos de aplicaciones solares con alta densidad energética. Con ello, se está generando tecnología de diseño y fabricación de helióstatos de bajo costo para sistemas de torre. También, con esta instalación se pueden desarrollar y probar receptores para diferentes aplicaciones de la energía solar concentrada.
Laboratorio de sistemas fotovoltaicos con concentración (LaSiFoV)
El LaSiFoV es un laboratorio de pruebas para sistemas fotovoltaicos, módulos fotovoltaicos y celdas solares que funcionan con energía solar concentrada. Esta instalación permite hacer investigación y desarrollo tecnológico en la caracterización óptica de flujos radiativos incidentes en celdas solares fotovoltaicas, en la caracterización térmica de los sistemas de enfriamiento de las celdas fotovoltaicas con concentración solar, en la caracterización eléctrica de modulos de sistemas fotovoltaicos con concentración a diferentes flujos radiativos concentrados y diferentes temperaturas y permite realizar pruebas de sistemas fotovoltaicos con concentración solar atendiendo normas internacionales.
COSOLpi (CEMIE Solar)
Responsable Académico: Dr. Hernando Romero-Paredes Rubio
Período reportado: Marzo 2014 - Diciembre de 2018
El objetivo que se persigue es llevar a cabo investigación y desarrollo tecnológico sobre la realización de procesos termoquímicos de alta temperatura utilizando la radiación solar concentrada como fuente de energía térmica para el futuro desarrollo de procesos industriales sustentables, para la producción de combustibles limpios como el hidrógeno (H2), gas de síntesis, biocombustibles, incluyendo la valoración de materiales empleados en la industria nacional.
El empleo de fuentes renovables como la energía solar y de procesos termoquímicos para la producción de hidrógeno, sin generar productos ni emisiones nocivas al medioambiente, permitirá sustituir progresivamente a los hidrocarburos. La planta piloto de producción de hidrógeno mediante ingeniería termoquímica solar aportará nuevos conocimientos científicos y desarrollos tecnológicos para la producción de vectores energéticos limpios.
Producción de electricidad solar mediante sistemas de disco parabólico, a partir de fotoceldas de alta eficiencia y dispositivos termoiónicos avanzados (CEMIE Solar)
Responsable Académico: Dr. Rafael García Gutiérrez
Período reportado: Marzo 2014 - Marzo de 2017
El objetivo original del proyecto desarrollado en la Universidad de Arizona (UA) consistía en dar un nuevo enfoque al desarrollo de esta tecnología para competir comercialmente con combustibles fósiles cuando se realice su implementación a gran escala.
Este sistema combina las mejores características de los métodos de fotovoltaicos (PV) y concentración solar de potencia (CSP). Los grandes espejos de vidrio se establecen en el desierto sobre montajes de seguimiento solar, como en los sistemas CSP, pero estos espejos están diseñados para llevar la luz a un foco local, donde la óptica transfiere la luz solar concentrada a células fotovoltaicas muy eficientes (> 40%). Al igual que los paneles fotovoltaicos, estas células generan electricidad directamente, pero son 1000 veces más pequeñas y cuestan diez veces menos en términos de la salida de energía proporcionada. Para una determinada inversión en los espejos y las estructuras de seguimiento solar, producen el doble de energía que los sistemas de turbinas de vapor, lo que reduce el costo del sistema, además no consumen agua neta, una consideración importante en regiones desérticas.
Obtención de gas de síntesis y biochar para la remediación de suelos contaminados a partir de energía solar altamente concentrada (PAPIIT UNAM)
Responsable Académico: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Período reportado: Enero 2019 - Diciembre de 2020
Este proyecto propone abordar la gasificación desde una perspectiva novedosa, adoptando la radiación solar como fuente energética en el proceso de gasificación a través de la pirolisis de materia vegetal de origen agrícola. La energía necesaria para el proceso pirolítico provendrá de la radiación solar concentrada. Las temperaturas de operación más comunes para estos procesos están comprendidas entre los 450 y 900 °C, pudiéndose gasificar también a temperaturas superiores, en función de los productos deseados, y de los materiales con los que se construya el reactor. La propuesta consiste en utilizar residuos agrícolas, ganaderos y agroindustriales de la región del estado de ¿Sonora? para la producción de gas de síntesis y biochar. Se caracterizaran las propiedades químicas y físicas del biochar para evaluar su potencial en remediación. Con el biochar obtenido, se realizarán experimentos en laboratorio para evaluar su efectividad en la estabilización, remoción y disminución de toxicidad de metales pesados en suelos y agua.
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.
Heidi Isabel Villafán Vidales
Tutor: Dr. Camilo A. Arancibia Bulnes
Abstract
El ciclo termoquímico del óxido de cerio (CeO2) es una opción prometedora para la producción de hidrógeno con energía solar concentrada, ya que es estable a temperatura ambiente ( esto lo hace un buen candidato para almacenar energía), reacciona rápidamente con el agua a una temperatura moderada y no se recombina con el oxigeno, lo cual sucede con el ya bastante conocido ciclo del ZnO.
Recientemente, el paso endotérmico del ciclo del CeO2 fue probado experimentalmente en un reactor de vidrio por Abanades y Flamant (Solar Energy, 80, 1611-23). Sin embargo este proceso podría verse beneficiado si se utilizará un reactor tipo cavidad, ya que con este tipo de reactores las pérdidas radiativas se disminuyen, lo que trae como consecuencia un incremento de las temperaturas en el interior del reactor, y por lo tanto, una mejora en la reacción. Es por ello que en el presente trabajo se propone un reactor tipo cavidad para llevar a cabo la reducción térmica del CeO2. Para proponer un diseño es necesario modelar la transferencia de calor y como este proceso se lleva a cabo a temperaturas muy altas (T ≈ 2300), la transferencia de calor radiativa tiene un papel muy importante en el modelo propuesto.
El presente proyecto de tesis tiene el objetivo principal de modelar la transferencia de calor radiativa en un reactor solar termoquímico, pensado para llevar a cabo la reducción del óxido de cerio. El reactor simulado consistió en una cavidad cilíndrica cerrada con tapas planas, la cual contiene una suspensión homogénea de partículas. Una de las tapas de la cavidad tiene una abertura circular, de radio inferior al radio de la tapa y esta apertura esta ́ sujeta a radiación solar concentrada que proviene de un concentrador paraboloidal. Para llevar a cabo dicho estudio se elaboró un código que se basa en el método Monte Carlo. En el modelo se consideraron las características direccionales con las que entra la radiación solar a la cavidad y, asimismo, se asume que el reactor contiene una suspensión fluidizada de partículas de óxido de cerio radiativamente participativas. En el análisis se toman en cuenta las características radiativas de las partículas (secciones de absorción y esparsión). Éstas se calculan con la teoría de esparcimiento de Mie, usando las propiedades ópticas del CeO2, determinadas por diversos autores en la parte ultravioleta, visible e infrarroja del espectro.
En las simulaciones se analiza, para diversos radios de apertura de la cavidad, el efecto que tienen diversos tamaños de la partículas y varias concentraciones, en la distribución de temperaturas.
Los resultados obtenidos muestran que el radio de apertura óptimo que maximiza temperatura promedio, es alrededor de un 30-40 % más pequeño que el radio que da la mayor absorción solar. A pesar de que este radio óptimo no da la mayor absorción de radiación solar que entra a la cavidad, sí reduce las pérdidas radiativas por emisión. Asimismo se encuentra que sólo una fracción de partículas muy pequeña necesita estar en estado fluidizado con el fin de alcanzar temperaturas de operación.
Reactor termoquimico para un concentrador solar de alto flujo radiativo
Ricardo Pérez Enciso
Tutor: Carlos A. Pérez-Rábago
Abstract
En este trabajo de investigación, se implementó, caracterizó y analizó teórica y experimentalmente, un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador solar de foco puntual, denominado DEFRAC (Dispositivo Experimental de Flujos Radiativos Altamente Concentrados). La intención de la implementación del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, fue la de aprovechar la versatilidad que brindan estos dispositivos de funcionar obteniendo el calor de diversas fuentes térmicas, como por ejemplo: el calor de desecho de un equipo, sistema o proceso, el calor producido por la quema de algún combustible o el calor proveniente de un sistema de concentración solar. Para este trabajo se utilizó un dispositivo termoeléctrico funcionando con efecto Seebeck para la generación de potencia eléctrica a través de una diferencia de temperaturas entre sus caras. Esta diferencia de temperaturas se logró usando como fuente de calor resistencias eléctricas o un sistema de concentración solar y como sistema de refrigeración, un calorímetro de placa plana, que para este trabajo se llamo intercambiador de calor de placa plana (ICPP). Con este arreglo se logró obtener una cara caliente y otra fría en el dispositivo termoeléctrico.
Para conocer el comportamiento del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, primero se modeló la distribución de la radiación solar concentrada sobre la placa receptora del sistema de generación eléctrica, usando el método de trazado de rayos con el código CIRCE2 y TONALLI. Con esa modelación, se encontró que la distancia óptima del plano de la placa receptora del sistema de generación eléctrica, con la que se obtuvo una distribución uniforme de radiación solar concentrada en un spot (mancha) solar de 3 cm de diámetro, fue de 1.70 m, siempre y cuando se orienten los espejos hacia el centro del receptor. Esta modelación de distribución de radiación solar concentrada, se corroboró con los resultados de los experimentos, por medio de imágenes CCD del spot solar reflejado sobre la placa receptora y se encontró una desviación menor a 2 %.
Para estimar las temperaturas que se alcanzarían en las placas de cobre del sistema de generación eléctrica, se desarrollo un programa del fenómeno de la transferencia de calor, usando MatLab, con el que se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 514 K y en la cara fría de 360 K. Por otro lado se hizo una modelación del fenómeno de transferencia de calor con un software comercial especializado en la simulación de este tipo de fenómenos (FLUENT), en el que se pudo desarrollar un modelo de la transferencia de calor por conducción y del comportamiento del fluido de refrigeración dentro del ICPP del sistema de generación eléctrica y se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 498.9 K y en la cara fría de 348.7 K.
Para caracterizar el sistema de generación eléctrica, se diseñó una campaña experimental con la que se logró reproducir el comportamiento del dispositivo termoeléctrico, como el reportado en trabajos similares realizados con anterioridad [Palacios, 1998] [Rowe, 1998], en los que se describe que se tiene una relación lineal en la curva voltaje-corriente. Por otro lado, las eficiencias más altas del dispositivo termoeléctrico fueron de 2.7% con una generación de potencia eléctrica máxima de 3 W, mientras que el sistema de generación eléctrica tuvo una eficiencia de 1.5% para potencias de entrada aproximadas a los 200 W, usando solo 3 espejos del DEFRAC.
Integración de un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador de foco puntual (DEFRAC)
