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.

Abstract

El trabajo inicia con una descripción del panorama general tanto del Análisis Estructural como del Método de los Elementos Finitos (método numérico utilizado por el software).

En el segundo capítulo se expone la teoría relacionada con el análisis de marcos espaciales y el cálculo de la fuerza de arrastre sobre los espejos (paneles). Además, se describe la metodología empleada para la correcta modelación de la estructura en el software.

En el tercer capítulo se establecen todas las condiciones previas a la simulación, esto incluye; el cálculo de las fuerzas y de las propiedades de todos los perfiles empleados en la estructura.

El cuarto capítulo presenta los resultados para las dos posiciones del helióstato, además de determinar en un tercer caso de estudio, la velocidad máxima del viento que puede soportar la estructura.

En el último capítulo se discuten los resultados obtenidos y se presentan algunas recomendaciones de diseño justificadas con la realización de nuevos análisis.

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.

Abstract

Los receptores de partículas se están estudiando cada vez más en los últimos años con el objetivo de poder almacenar energía a una temperatura superior a las de las sales fundidas que, hoy en día, representan el fluido comercial que trabaja a mayor temperatura (hasta 560 °C) en las centrales de concentración solar. La búsqueda de una mayor temperatura se debe sobre todo a la necesidad de aumentar el rendimiento termodinámico en los ciclos de potencia para la producción de energía eléctrica. Los receptores de partículas se han propuesto, además de para la generación de electricidad, para la realización de procesos térmicos y termoquímicos con radiación solar. Los receptores o reactores rotativos solares son una de las tecnologías que más se están investigando para llevar a cabo una gran variedad de procesos térmicos en un rango de temperatura muy amplio (entre cientos y miles de grados Celsius) y con materiales muy diferentes (chatarra de aluminio, arena, óxidos metálicos, etc.); lo que lleva a condiciones de funcionamiento muy dispares de los prototipos existentes. Debido a la variabilidad de los datos disponibles, a veces contradictorios, la comprensión profunda del comportamiento térmico y fluidodinámico de los receptores solares rotativos sigue siendo un desafío.

En esta tesis se fijó como objetivo analizar la tecnología de receptores rotativos y estudiar el calentamiento del sistema receptor-partículas para aplicaciones térmicas tales como la producción de calor de proceso o el almacenamiento de energía a temperaturas de hasta 750 – 850 °C, así como su posible integración en procesos industriales de alta temperatura.

La metodología empleada se definió a partir de las conclusiones procedentes de estudios bibliográficos iniciales, la cual combinó ensayos experimentales, llevados a cabo con un receptor rotativo a escala de laboratorio con funcionamiento en modo discontinuo, con modelos numéricos, incluyendo un modelo térmico unidimensional, un modelo CFD bidimensional y un modelo analítico para el escalado del receptor.

A nivel experimental se han realizado diferentes ensayos bajo diferentes condiciones: con y sin rotación, con materiales diferentes (receptor vacío, esferas de alúmina y partículas de carburo de silicio) y con fuentes de radiación diferente (un horno solar y un simulador solar). Los ensayos demostraron la capacidad del receptor rotativo vi de absorber energía térmica de forma significativa y calentar material granular hasta más de 800 °C. A través de las simulaciones CFD se pudo apreciar la influencia de la rotación sobre la homogeneización de la distribución de temperatura en el interior del lecho. Además, con el modelo unidimensional se comprobó que, aumentando el número de lotes después del precalentamiento inicial y reduciendo el tiempo de calentamiento de las partículas, es posible aumentar considerablemente la eficiencia del receptor. Para finalizar la modelización del sistema, mediante un escalado de un receptor rotativo solar para plantas de torre con operación en continuo, se estimó que un dispositivo de este tipo puede alcanzar eficiencias superiores al 83%.

Por último, se analizaron diferentes modos de operación para los receptores estudiados y se propusieron dos configuraciones de funcionamiento dependiendo de la aplicación y su demanda energética. En la primera configuración, la planta solar incluía un sistema de almacenamiento térmico, mientras que la segunda consideraba el tratamiento directo del material granular. Estas dos estrategias representan una integración realista de estos dispositivos solares con los procesos industriales actuales, mostrando una aplicación viable de los hornos solares rotatorios.

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.

Abstract

We have found the flux homogenization technique described in the paper published in volume 93, pages 115–124 (august 2016), does not provide homogenized fluxes in all out-of-focus distances of the solar receiver, but only above a certain transition distance, and that some of the numerical analysis procedures used in that document should be revised or complemented to achieve better reproducibility of the results. In addition, we also note that some statements and conclusions in that document are mistaken or formulated incorrectly, so it is necessary their correction.

Abstract

Tantalum carbide (TaC) nanoparticles were synthesized using the IER-UNAM (HoSIER) solar furnace, which reduces polluting gas emissions and dependence on fossil fuels through the use of concentrated solar energy. TaC synthesis was performed through a carbothermal reduction method from Ta/O/C complex, using tantalum pentachloride (TaCl5) and synthesized phenolic resin as sources of tantalum and carbon, respectively, at a temperature of 1200 °C, in a reaction time of 30 min, under argon atmosphere. A solar reactor equipped with a quartz window was used, designed to work in controlled atmospheres. Complex Ta/O/C bonds and thermal decomposition were analyzed by FT-IR and TG/DSC, respectively, while the structure and morphology of TaC were analyzed by XRD, TEM, and SEM techniques. Results showed a TaC with a cubic crystalline structure, a low amount of Ta2O5 and a near-spherical …

Abstract

En esta tesis se hace énfasis en que, para que las tecnologías de aprovechamiento de recurso solar puedan volverse completamente competitivas contra las tecnologías convencionales es necesario que exista una disponibilidad energética, la cual se logra con la implementación de un sistema de almacenamiento de energía térmica eficiente y económico. Los parámetros térmicos más importantes a conocer de un material y que determinan si el mismo es adecuado para su aplicación en un sistema de almacenamiento de energía térmica son: su capacidad de almacenamiento de energía, su conductividad térmica y la evolución de sus propiedades térmicas al variar la temperatura y el tiempo. Por esta razón, es necesario conocer a detalle las curvas temperatura-tiempo (o curvas de historia térmica) que presentan los materiales. Los métodos calorimétricos permiten obtener información determinante de los materiales mediante estas curvas. Sin embargo, la técnica más madura en la actualidad, la Calorimetría DSC, presenta múltiples desventajas en la caracterización térmica de materiales, además de que el equipo comercial completo presenta costos muy elevados. El método T History surgió como una alternativa a superar los inconvenientes que presenta la calorimetría por DSC.

En un intento por homologar las ecuaciones de análisis calorimétrico de esta técnica y hacerlas consistentes con la termodinámica del cambio de fases, (Moreno-Álvarez, 2012) formuló el método dT-History, el cual permite obtener información más confiable de las curvas de historia térmica registradas, particularmente de las curvas diferenciales. Esto permite conocer el efecto que cualquier modificación realizada al dispositivo, tendrá en la exactitud y precisión de sus resultados, haciendo más flexible la técnica.

En esta tesis se propuso un procedimiento experimental dT-History basado en la formulación propuesta por Moreno-Álvarez (2012), para conocer la calorimetría de una muestra de sal KNO3, la cual es utilizada en aplicaciones de almacenamiento de energía térmica a altas temperaturas, por ejemplo, para los sistemas de almacenamiento de energía en plantas de potencia termosolar. Con el arreglo experimental fue posible obtener curvas T-t para cada elemento del sistema de calorimetría. La aplicación del método dT-History a las curvas T-t, permitió reproducir los aspectos termodinámicos característicos de la transición de fase observada en la curva de calor específico, como por ejemplo, el rizo de inestabilidad durante el crecimiento de la fase sólida bajo condiciones de subenfriamiento.

Las curvas de calor específico obtenidas con el arreglo experimental propuesto, fueron comparadas con la curva de calor específico en función de las temperaturas obtenidas en la literatura, también para una muestra de sal de KNO3, pero mediante calorimetría DSC. Los resultados fueron cualitativamente similares, pero con la técnica dT-History, se pudo apreciar con mayor detalle el efecto del cambio térmico (dT/dt) del proceso en la curva de calor específico Cp1.

La semejanza entre las curvas finales de calor específico en función de la temperatura obtenidas experimentalmente y la reportada en la literatura, es un indicio de que la técnica dT-History recrea de manera efectiva el comportamiento térmico de la muestra de sal, además, presenta mayor detalle en el comportamiento del calor específico en el tiempo. Este tipo de curvas tiene una gran ventaja con respecto a la ecuación de calor básica para la obtención del calor específico, ya que en ésta última no se conoce la variación de la temperatura contra el tiempo. Si se extrapolara este acercamiento a las aplicaciones en el área del almacenamiento térmico de la energía generada con medios solares, podríamos decir que la curva de calor específico obtenida con la técnica de calorimetría dT-History permite, además de conocer la cantidad de energía requerida, realizar un cálculo adecuado de la disponibilidad de la energía, ya que se conoce la parte temporal.

Como actividad adicional, se comprobó que el arreglo experimental propuesto en esta tesis para la obtención de las curvas T-t, resulta ser de gran utilidad para la evaluación de la herramienta numérica propuesta Moreno-Álvarez et al. (2019) para obtención de curvas T-t simuladas para materiales de cambio de fase puro, ya que éste es de fácil montaje y operación.

Abstract

Rotary kilns are worldwide used for industrial processes that involve thermal treatments of particulate materials. However, a great amount of fossil fuels is employed in such processes. As alternative, solar rotary kilns are considered for this application due to their versatility and potential to substitute traditional fossil-fuel driven devices. In order to boost the development of this technology, efforts have to be focused on the control of the particle temperature during the treatment. In this context, a lab-scale rotary kiln was built and tested using a 7-kWe high-flux solar simulator at University of Antofagasta. It was conceived to treat particulate materials of different nature and it is able to reach temperatures higher than 800 °C under different operation strategies. Silicon carbide was selected for initial tests because it is inert, endures high temperatures (up to 1600 °C) and it has been proposed as thermal storage vector in several researches on concentrated solar power. In a first stage, the empty kiln was preheated up to about 800 °C, reaching a steady state in less than three hours and with a power of approximately 370 W entering the kiln cavity. Afterwards, 43 g of silicon carbide were introduced in the furnace and the system was heated again up to a second steady state above 800 °C. In this stage, particles showed a fast increment of their temperature and exceeded 700 °C in less than three minutes after loading. A one-dimensional transient numerical model was also developed to perform the thermal analysis of the kiln and the estimation of both the particle temperature and the system efficiency. Numerical results showed good agreement with experimental data and thermal losses could be quantified in detail. Therefore, the model was also used to predict the thermal behavior of a solar rotary kiln working in batch mode..