Abstract

En México, únicamente el 35 % de las aguas municipales y el 18% de aguas industriales residuales reciben algún tipo de tratamiento, generalmente de tipo biológico [CONAGUA, 2010]. En contraste, la cantidad de contaminantes persistentes a los métodos convencionales de tratamiento van en aumento. Esto obliga al desarrollo de nuevas técnicas de tratamiento para combatir el problema creciente de la contaminación del agua. Una novedosa alternativa para el tratamiento de contaminantes orgánicos en el agua lo constituye la fotocatálisis. La fotocatálisis se entiende como la aceleración de una reacción química por la presencia de un catalizador fotosensible (fotocatalizador). Esta técnica de tratamiento de agua pertenece al grupo de los denominados Procesos de Oxidación Avanzada (POA) que se caracterizan por la producción de especies de alto poder oxidante, principalmente el radical hidroxilo ( HO ), los cuales son fuertes agentes oxidantes capaces de atacar la materia orgánica y degradarla.

Durante este proyecto de tesis se presenta el desarrollo de una Planta Solar Fotocatalítica para el Tratamiento de Aguas Residuales (PSFTAR), la cual es parte del proyecto de Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LNSCSyQS) financiado por el CONACYT y la UNAM. El desarrollo de la planta involucra tanto el diseño, fabricación y puesta en marcha de 3 reactores para fotocatálisis heterogénea con TiO2 manufacturados en el CIE-UNAM, como la implementación de 3 equipos comerciales adquiridos a la empresa española Ecosystem. De los dispositivos construidos en el Taller Mecánico del CIE, 2 son prototipos de 1m2 integrados por colectores solares CPC de 1 y 2 soles de concentración y un tercer reactor de 7.68 m2 integrado por 32 colectores solares CPC de 2 soles de concentración y un sistema de sensores para medición en tiempo real de pH, Oxígeno disuelto (OD), Temperatura (T), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y de flujo. De los 3 equipos comerciales, 2 son para reacciones de Foto-Fenton y 1 para fotocatálisis con TiO2; en este momento solo se encuentra en operación la planta piloto de procesos foto-Fenton acoplado a un reactor biológico (4 m2).

Con el propósito de evaluar el desempeño de cada uno de los reactores fotocatalíticos, se realizaron procesos de degradación fotocatalítica tanto en fase homogénea (foto-Fenton) como en fase heterogénea con TiO2 para lo cual en ambos casos se utilizó el plaguicida carbarilo como contaminante modelo. En el caso especifico de fotocatálisis con TiO2, se trabajó en la inmovilización del fotocatalizador por la técnica de depósito químico sol-gel sobre tubos de vidrio pyrex, el cual seguidamente se utilizó en los reactores fotocatalíticos anteriormente mencionados. Para la fotocatálisis por medio de procesos foto-Fenton se utilizó sulfato de hierro como reactivo de Fenton. Para el estudio analítico de los procesos de degradación fotocatalítica se evaluaron parámetros experimentales tales como contaminante remanente en la solución por medio de espectrofotometría UV-VIS y carbono orgánico total (COT), y adicionalmente se determinaron demanda química de oxígeno (DQO), OD, pH, y temperatura de la solución.

Para completar los estudios de caracterización, se llevó a cabo un estudio de la cinética de degradación por medio del cual se analizó el comportamiento de velocidad de la degradación fotocatalítica del carbarilo en función del tiempo de exposición, concentración solar en el intervalo de 1 a 2 soles de concentración y energía acumulada. Punto de partida de este estudio fue el modelo de Langmuir-Hinshelwood y la aproximación de una cinética de pseudo-primer orden. Por medio de esta aproximación se calcularon las constantes cinéticas de pseudo-primer orden k0 (min -1) y la constante aparente de primer orden k’ (kJ -1 L)1/2.

Los resultados obtenidos con los reactores fotocatalíticos, tanto construidos como adquiridos, permiten predecir un buen desempeño tanto a nivel prototipo, como a nivel de planta fotocatalítica. A nivel prototipo, mediante fotocatálisis con TiO2 fue posible degradar el 100 % de 35 mg/l de carbarilo en 215 minutos manejando un volumen de 30 litros; mientras que por foto-Fenton se degradó el 100% de 35 mg/l de carbarilo en 30 minutos operando con un volumen de 60 litros. A nivel de planta, al integrar los diferentes reactores fotocatalíticos con los que se cuenta, en este momento se dispone de una capacidad de área de captación de 32 m2 y de volumen a degradar de 240 l en un período de exposición a la radiación solar menor a 3.5 horas.

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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.

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

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

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

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

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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.

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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.

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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.

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En una planta de concentración solar para generación de energía eléctrica del tipo torre central, se requiere de un gran conocimiento de la trayectoria solar y por supuesto de un cálculo muy preciso de la misma. Lo anterior debido a que el equipo requerido para realizar la concentración solar denominado Helióstato para su correcta operación requiere precisiones de alrededor de 0.1 grados o menores de arco angular. Sin embargo, la complejidad del problema no solo radica en la precisión necesaria, también requiere que el sistema sea implementado a un bajo costo debido a que un planta regularmente cuenta con miles de helióstatos. Para poder alcanzar estos requerimientos es necesaria la instalación de sensores de posición, monitoreo de variables ambientales, un sistema de retroalimentación por visión artificial, y un trabajo extenso en el desarrollo del software de control para el procesamiento de toda esa información y la toma de decisiones. Esto implica toda una gama de problemáticas a resolver, desde la adquisición de datos ambientales, control de motores de potencia, alineamiento de mecanismos, cálculos vectoriales de posición solar y heliostático, así como de procesamiento de imágenes para retroalimentación de imagen solar.

En el presente trabajo de tesis se muestra un esquema completo y bastante específico de solución a muchos de los problemas presentados en la automatización de una planta de torre central, así como de las variables necesarias para la correcta operación de los helióstatos. Además, se presenta un esquema de retroalimentación fuera de línea (offline) que cumple con los requerimientos para mantener una eficiencia del 100% en el funcionamiento de helióstatos, compensando el problema de “deriva” de imagen solar, al menos por 7 días continuos de operación.

El sistema de control del Campo de Pruebas de Helióstatos está en funcionamiento en la ciudad de Hermosillo, Sonora. Es un proyecto de investigación solar creado por el Centro de Investigación en Energía (CIE) y la Universidad de Sonora(UNISON).