Abstract

The purpose of this work is to analyze the effect of non-uniform concentrated solar radiation on direct steam generation in a vertical tube of solar tower receiver. The modified RPI model was used for the conditions of critical heat flux coupled to a Eulerian two fluid model. The mathematical model was solved with CFD software. The results were validated with experimental data reported in the literature and a parametric study was carried out to determinate the effect of non-uniform concentrated solar radiation, on the steam quality, the volumetric fraction, enthalpies and temperatures of liquid and steam. Non-uniform concentrated solar fluxes favor generation of steam but produce conditions that may influence the structural durability of DSG receivers, like high axial temperature gradients and zones with temperatures above the melting temperature of stainless steel.

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta el desarrollo de los subsistemas y componentes necesarios para lograr el funcionamiento y para la evaluación de un concentrador solar de tipo cilíndrico parabólico. De tal manera que se realiza para cada uno de estos subsistemas un desglose, en el cual se muestra y describe el diseño, el funcionamiento, la metodología seguida, la puesta en marcha de cada uno y la evaluación de estos.

Como principales secciones de este trabajo se presentan el sistema de control para el seguimiento solar, la caracterización óptica del sistema, el modelo numérico para su comportamiento térmico e hidrodinámico, y la experimentación del sistema completo para lograr la validación del modelo matemático. En cada uno de estos apartados se explica a detalle el desarrollo del sistema, así como los componentes usados y los resultados obtenidos.

En el sistema de seguimiento se desarrolló un sistema de control capaz de cambiar entre tres transductores para la realización del seguimiento, que a su vez cuenta con tres diferentes modos de operación; como son, el modo automático, modo libre y modo manual. A su vez, se hizo la evaluación de estos tres transductores, llegando a la elección de uno como el de mejor respuesta (acelerómetro). Finalmente, se hace una mejora con la implementación de una mirilla, la cual trabaja en conjunto con cualquiera de los otros tres transductores, haciendo así menor la deriva en el sistema de seguimiento de la trayectoria aparente del Sol.

En la caracterización óptica del canal parabólico, se determinó un error óptico global, el cual sería usado posteriormente para el modelado numérico. La obtención del error óptico global del sistema de concentración solar parte de una comparación de perfiles de distribución de flujo radiativo concentrado. El perfil de distribución de flujo teórico se obtiene de un modelado de trazado de rayos, mientras que los perfiles reales fueron medidos experimentalmente usando dispositivos que permitieron hacer dichas mediciones sobre el eje focal del sistema. Ambos perfiles de distribución de flujo radiativo concentrado fueron obtenidos sobre un plano receptor con características de blanco Lambertiano.

Para el modelado numérico se empleó el método de volúmenes de control, con el fin de conocer el comportamiento térmico e hidráulico del fluido de trabajo en el arreglo del tubo absorbedor, así como en cada uno de los componentes de este. Una de las contribuciones al modelo es el acople de la respuesta de un modelo de trazado de rayos, teniendo como punto de partida a la distribución de flujo incidente sobre el tubo absorbedor para así poder conocer la influencia de esta sobre la respuesta del sistema completo. Los resultados obtenidos en cada uno de los subsistemas y para el sistema en conjunto indican que el dispositivo usado requiere de varias mejoras, no así los sistemas desarrollados, por lo que es posible decir que lo desarrollado de este trabajo es de utilidad. Por lo que, como siguiente paso se tiene el mejoramiento del dispositivo de concentración solar, sobre todo en la parte de manufactura.

Abstract

In the city of Hermosillo, in the northwestern state of Sonora, México, the University of Sonora in agreement with the National Autonomous University of México is developing solar tower technology. A thermal receiver was designed to measure the thermal power of a small number of heliostats and experimental results were obtained to measure the thermal power of a small number of heliostats. The flat plate thermal receiver is a parallelepiped enclosure 1.20 m high, 1.23 m wide and 0.1 m deep with a receiving area of 1.476 m2 and a ε = 0.95, It also has 1228 cylindrical fins evenly distributed in the interior, each fin has a diameter of 0.0095 m and a length of 0.09 m, which increases the area of the receiving wall by up to 329%. Three experiments (with 1, 4 and 7 heliostats respectively) were carried out using the effect of the radiative flux provided on: the estimated thermal power, thermal efficiency, temperature distribution of the internal surface of the receiving wall (plate), the temperature distribution in the fins and in the fluid; all of this during steady state conditions. The experiments were performed for a Re⎯⎯⎯⎯ number of 2.90 × 104; it was found that the thermal efficiency of the system decreases as the radiative flux increases. The maximum efficiency was 84.9% and the minimum was 58.4% for experiment 1 and 3 respectively. We also observe that the temperature gradients of the fins increase as the radiative flux increases and that the fluid increases its temperature as it passes through the receiver and the center of the plate has the higher temperatures.

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.

Abstract

In this work, the first stage of a project devoted to the evaluation of rotary kilns as thermal receivers for industrialheat production was carried out. A small-scale rotary kiln was designed, installed and tested in the IER-UNAM’s solar furnace. In the experiment, the kiln was filled with 40 g of 2-mm diameter spherical particles and it rotated at 5 rpm. The thermal equilibrium was reached after almost 2 hours of operation and a temperature of 830 ºC was achieved. In order to evaluate the irradiance distribution on the kiln aperture, an indirect estimation method was adopted. The method consists in determining firstly the Solar Furnace Factor and the incident power, and then it is calibrated the image of the irradiance distribution on a Lambertian target placed at the furnace focus. This method does not require any measurement of the irradiance on the target plane. Once the irradiance distribution was calibrated, it was compared with a ray-tracing simulated irradiance of the same system at the selected position, obtaining a maximum average deviation of 2.8%. Furthermore, a parametric analysis of the internal wall absorptance and kiln position was carried out in order to evaluate the heat-flux distribution on the kiln walls. Finally, the irradiance on the kiln walls with and without the particle bed was estimated.

Abstract

This study investigates the phase transformations that can occur in an austenitic stainless steel (AISI 316) by demonstrating the appearance of δ-ferrite that is obtained in the initial heating cycles using Concentrated Solar Irradiation (CSI) at magnitudes needed to obtain the operational temperatures of central tower systems. Four AISI 316 stainless steel specimens cut from one single initial piece, were exposed to CSI in the Horno Solar de Alto Flujo Radiativo at the Universidad Nacional Autónoma de México to perform the thermal cycles. AISI 316 stainless steel is fully austenitic and is selected because it is reportedly one of the cheaper material used in CSI receivers. Monotonic tensile strength tests were performed, and it is assumed that there is no relevant effect on the mechanical behavior for the reported experiment. Phase transformations were characterized using optical microscopy, X-ray diffraction and by scanning electron microscopy analysis with an energy-dispersive X-ray spectroscopy. The appearance of δ-ferrite phase was the principal difference between CSI treated specimens, a non-treated specimen and one specimen heated by conventional method. Concentrated UV irradiation from the solar spectrum on Earth surface demonstrated to have the potential to obtain the phase transformation at a temperature near 630 °C.

Abstract

Kinetic behavior of solar processes should be studied in solar facilities in order to consider the real heating conditions that affect the process. In this work, the thermo-desorption of CuO was performed in a solar reactor operated in a solar furnace. Kinetic of this process was studied considering both isothermal and non-isothermal methods. By means of isothermal methods, it was found that the reaction follows the Avrami-Erofeev equation and the kinetic parameters varied according to the n coefficient of such an equation. Master-plots method was then applied from non-isothermal experiments. The employed methodology was easier and the experimentation time much shorter than in isothermal case. The Avrami-Erofeev mechanism was clearly confirmed with this method.

Abstract

Copper is an indispensable input element in most economic sectors. However, its production chain has significant and adverse consequences on the environment. Through pyrometallurgical route it is estimated that each kilogram of refined copper consumes 33 MJ and generates a footprint of 3.3 kg of CO2. Primary production projections for 2019 amount to 26,500 kT, of which 79% will be by pyrometallurgical route. It is a responsibility of the industry to makes the process more environmental friendly. This can be done replacing the current energy matrix by the use of renewable energy. In this first and preliminary work we are evaluating the technical potential to integrate Central Tower Plants (CTP) into the smelting stage as a solar energy source. According to the mineral books and the irradiation maps, almost 20% of the current production can be match with these solar concentration systems because of the irradiance levels available where the metallurgical plants are located. The incorporation of a CTP in the world largest copper metallurgical facility to substitute the current fossil fuel energy supply could demand a capacity of 68 MWt. This last consideration obeys to the weighted average of the specific energy consumption gave by the Chilean Copper Commission COCHILCO. However, the results of this work indicate that the behavior of this change in the operative parameters could reduce the 68 MWt almost in a half.

Abstract

En el presente trabajo se detalla la importancia de diversificar el desarrollo de la sustentabilidad energética, promoviendo la implementación de las energías limpias que contribuyan al desarrollo económico y social de la población mundial, con el fin de reducir la explotación de los recursos energéticos como los combustibles fósiles, y mitigar las altas emisiones de contaminantes que estas emanan al medio ambiente.

Partiendo de la demanda de investigación en diferentes áreas de aplicación de la energía solar fotovoltaica de concentración y de la importancia de realizar estudios de caracterización óptica de flujos radiativos incidentes sobre celdas fotovoltaicas de concentración solar, así como la caracterización térmica de los sistemas de enfriamiento para remover los excesos de calor en las celdas fotovoltaicas y otros estudios de tecnologías de concentración solar que hagan uso de un sistema de foco puntual para con de desarrollos tecnológicos e innovación, se desarrolló un Concentrador Anidólico tipo Horno Solar (CosAn) para la caracterización de celdas fotovoltaicas de concentración solar que se ha realizado en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, ubicado en Temixco. Morelos.

Para llevar a cabo la caracterización óptica del CosAn, se efectuó la modelación del sistema en el software de trazado de rayos Tonatiuh, la cual permite simular la óptica del concentrador y realizar una evaluación de los parámetros ópticos de los espejos del concentrador, así como obtener el error óptico global del sistema mediante el análisis de las distribuciones de los perfiles de flujo radiativo normalizado a partir de la simulación a diferentes errores ópticos; además de desarrollar una metodología de alineación de los espejos para obtener un flujo radiativo concentrado mediante un patrón de alineación que se ubica en el radio de curvatura (4m) del concentrador.

La puesta a punto del sistema del CosAn consistió en la transición de la estructura del DEFRAC a un diseño nuevo de una estructura de soporte estática de los espejos del concentrador, además de las adaptaciones a las estructuras del helióstato y el diseño de los mecanismos de alineación de los espejos, el montaje de los instrumentos de adquisición de señales y del blanco de referencia sobre una mesa de caracterización para la toma de imágenes del flujo radiativo incidente en la zona focal y a lo largo del eje óptico del concentrador.

Los resultados obtenidos a partir de las campañas experimentales, en los que podemos destacar que a partir de la evaluación de la distribución de flujo radiativo concentrado en la zona focal, se pudo obtener el error óptico global de 2.6 miliradianes mediante la comparativa del perfil obtenido en las simulaciones, con el perfil real. Por otro lado, la consideración de parámetros de reflectividad y transmitancia de los elementos de los sistemas ópticos, y la estimación de factores que afectan el rendimiento óptico del sistema, se pudo obtener una aproximación de los niveles de concentración de la radiación en el CosAn.

Las distribuciones de flujo radiativo en distintas posiciones del eje focal, permitió deducir que a medida que se va alejando el blanco Lambertiano, los flujos radiativos presentan un comportamiento homogéneo, y con base en la estimación de estas distribuciones de flujo, se llevó a cabo una campaña de caracterización de una celda fotovoltaica de concentración, en la que por medio de un trazador de curvas I-V, se pudo determinar la potencia generada de la celdas, y así determinar las eficiencias de conversión de la potencia radiativa promedio incidente en la celda a potencia eléctrica, que para un flujo radiativo de 409 kW/m2 se presentó la mayor eficiencia de la celda con un 31.9%.