Carlos Pérez
Luis Andrés Amat Castrillón
Tutor: Lúar Moreno Álvarez
Abstract
En el aprovechamiento de energía solar los sistemas de alta concentración son una opción viable para satisfacer energéticamente diversos procesos industriales. Las principales desventajas de estos sistemas de concentración es el control de la temperatura de operación, las pérdidas de calor asociadas al proceso y la distribución de la radiación concentrada. Los gradientes de temperatura inducidos por una distribución no uniforme ocasionan en los materiales un deterioro considerable debido a las altas temperaturas de concentración las cuales alcanzan los puntos de fusión. En este trabajo se analiza, simula y diseña un concentrador solar de alto flujo radiativo que sea capaz de generar perfiles de intensidad de flujo homogéneo, Pare ello se abordan: 1) los fundamentos teóricos de la transferencia de calor por radiación para el estudio de la energía solar térmica de concentración; 2) el análisis teórico de la óptica y geometría de concentración, para conocer la relación que tienen las variables involucradas en el proceso de captación de la energía infrarroja proveniente del Sol en un receptor; 3) el análisis del modelo básico de mezcla estadística propuesto para combinar los perfiles gaussianos individuales producidos por la reflexión en los elementos de una óptica de concentración solar, y obtener perfiles homogéneos conociendo las características ópticas de los espejos reflectores; 4) simulaciones numéricas, mediante paquetes computacionales de trazado de rayos, que comprueban la homogeneización de los perfiles de concentración, considerando parámetros de alineación de los espejos para conseguir la obtención de flujos homogéneos; 5) el diseño de los elementos mecánicos y las especificaciones de diseño que proporcionen la movilidad adecuada de los espejos para poder direccionar la reflexión de los rayos a voluntad, y el diseño de del concentrador solar propuesto para la realización de pruebas y experimentación.
Carlos Alberto Pérez Rábago
Tutor: Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
En este trabajo se presenta el diseño, la construcción y la puesta en operación de un receptor de cavidad cónica para ser usado como calorímetro en el concentrador solar de foco puntual denominado Dispositivo para el Estudio de Flujos Radiativos Altamente Concentrados (DEFRAC) del CIE-UNAM. Este calorímetro permite determinar la potencia de concentración solar del DEFRAC. La finalidad al construir este tipo de receptor de cavidad fue lograr concentrar el total de la potencia del DEFRAC y reducir al máximo posible las pérdidas de energía y aumentar la eficiencia de absorción. Para diseñar el dispositivo, se realizó un análisis teórico de la eficiencia de absorción del receptor, de la emitancia aparente de la cavidad, así como una simulación de la distribución de flujo radiativo en el interior del cono. Con los resultados de los análisis anteriores se llevó a cabo una optimización de los parámetros de diseño para obtener un receptor con una alta absortancia aparente, con una alta eficiencia de absorción y con una distribución más homogénea de flujo en el interior del cono, que permita una mejor remoción de calor. Los parámetros obtenidos fueron los siguientes: el radio de apertura de la cavidad Ra = 1.62 cm, el ángulo de apertura del cono ω = 15° , la relación de bafle ξ = 0.65, el radio de la base del cono Ro = 4.28 cm y la altura del cono L = 159.9 mm. Se calculó la emitancia aparente de la cavidad resultando ser de 98%, correspondiéndole una eficiencia de absorción del 95% para una temperatura de operación de 500 K.
El calorímetro se construyó utilizando acero inoxidable y cobre como materiales base del cuerpo del dispositivo. Estos materiales se seleccionaron después de un análisis que consideró, entre otras cosas, las temperaturas máximas permitidas, la alta conductividad térmica y la resistencia a la corrosión. Por último, se realizan una serie de experimentos, para evaluar la cavidad calorimétrica, donde se determinó la potencia de concentración del sistema, la eficiencia de absorción del receptor, así como la distribución del flujo radiativo en las paredes del receptor. Se determinó experimentalmente que la eficiencia de absorción de la cavidad calorimétrica operando el DEFRAC con los 18 espejos fue del 96.3%
Elisa Alonso, Carlos Pérez-Rábago, Javier Licurgo, Alessandro Gallo, Edward Fuentealba, Claudio A. Estrada
Abstract
Solar reactors designed and constructed for thermochemical applications present different configurations and general performance. The selection of a solar reactor that optimizes a particular process is always a difficult challenge. This work studies two types of reactor configuration by means of a comparative experimental analysis. It was employed a solar device, which is able to operate as fixed reactor with packed bed samples and as rotary kiln. The reduction of CuO into Cu2O was tested under both operation modes, due to its proved potential and interest as thermochemical storage material. It was found that heat transfer was hindered in static experiments limiting the fraction of reactive sample. Thermal gradients of about 200 °C were found in the packed bed through thermocouple and IR camera measurement. Heating rates and total fed energy must be restricted at the risk of front of the sample to melt, resulting in several operation drawbacks. In contrast, mixing conditions in rotary kilns allowed for higher heating rates and led to homogenous sample temperature. Maximum reaction yields in stationary mode did not overpass 14% while it was achieved more than 80% in rotary mode at temperatures about 860 °C. Thermal efficiencies were very limited in both operation modes due to the high thermal inertia of the solar reactor. Because rotary mode admitted much more energy, its thermal efficiency was even lower than static. A solution to increase rotary kilns thermal efficiency is working in continuous mode.
Alonso, E., Gallo, A., Roldán, M.I., Pérez-Rábago, C.A., Fuentealba, E.
Abstract
Rotary kilns have a long history of use in classical industries. They are able to achieve high temperatures with higher thermal efficiencies than other reactor types. Their performance has been widely studied and classified according to different parameters. Since it is a well-known technology, rotary kilns have been selected for high temperature solar processes. This article initially presents a brief review of the rotary kiln technology and it focuses on the employment of these devices for thermal and thermochemical processes conducted by concentrating solar energy. Among the solar devices, a novel rotary kiln prototype for thermochemical processes is presented and compared with a static solar reactor. Finally, some practical conclusions on the design and operation of solar rotary kilns are remarked and an analysis of their main limitations is presented.
Lara-Cerecedo L.O., Moreno-Cruz I., Pitalúa-Diaz, N., Arancibia-Bulnes, C.A.
Abstract
A novel modeling tool for calculation of central receiver concentrated flux distributions is presented, which takes into account drift effects. This tool is based on a drift model that includes different geometrical error sources in a rigorous manner and on a simple analytic approximation for the individual flux distribution of a heliostat. The model is applied to a group of heliostats of a real field to obtain the resulting flux distribution and its variation along the day. The distributions differ strongly from those obtained assuming the ideal case without drift or a case with a Gaussian tracking error function. The time evolution of peak flux is also calculated to demonstrate the capabilities of the model. The evolution of this parameter also shows strong differences in comparison to the case without drift
Modeling of Drift Effects on Solar Tower Concentrated Flux Distributions
Valades-Pelayo P.J., Romero-Paredes H., Arancibia-Bulnes C.A., Villafán-Vidales H.I.
Abstract
In the present study, the optimization of a multi-tubular solar thermochemical cavity reactor is carried out. The reactor consists of a cubic cavity made of woven graphite, housing nine 2.54 cm diameter tungsten tubes. A heat transfer model is developed and implemented considering high-temperature radiative transfer at steady state. The temperature distribution on the receiver tubes is determined by using a hybrid Monte Carlo-finite volume approach. The optimization aims at maximizing average tube temperature by varying tube locations. Optimal tube distributions are explored by using a custom-made stochastic, multi-parameter, global optimization algorithm. A considerable increase in average temperature as well as improvement on temperature uniformity is found in the optimized tube arrays. Patterns among the different optimal distributions are found, and general features are discussed
abril a mayo del 2016
Durante los meses de abril y mayo de 2016 se ha realizado una campaña de investigación experimental en el HoSIER dentro del marco de la colaboración entre la Universidad de Antofagasta (UA) y el IER-UNAM. Ambas instituciones vienen colaborando en distintas tareas desde el año 2014.
La campaña realizada busca investigar la viabilidad de los óxidos de cobre (CuO/Cu2O) como materiales para almacenamiento termoquímico de energía solar (TCS, de sus siglas en inglés). El TCS se basa en el empleo de reacciones químicas reversibles para almacenar energía térmica en forma química. Conceptualmente, se alimenta una reacción endotérmica con energía solar concentrada, y los productos de dicha reacción se almacenan hasta que la energía es requerida. En ese momento, se provoca la reacción en sentido contrario, exotérmica, que liberará el calor previamente almacenado.
Algunos óxidos metálicos cambian de grado de oxidación en un rango de temperaturas entre los 800 y 1500 ºC (temperatura de equilibrio), el cual es compatible con las temperaturas típicas de operación de los sistemas de concentración solar de tipo torre central. El par CuO/Cu2O es uno de ellos y por lo tanto, se está investigando su comportamiento con vista a ser integrado en un sistema TCS acoplado a una torre central.
En la campaña experimental se ha empleado el reactor rotativo del IER-UNAM que consta de una cavidad cerámica aislada, con capacidad de rotar a distintas velocidades, una ventana de cuarzo y un sistema de alimentación y análisis de gases.Está perfectamente instrumentado para la medida de temperatura por varios métodos. La reacción de reducción del CuO a CU2O se ha evaluado bajo distintas condiciones de operación: velocidad de rotación, caudal de gas de barrido, tipo de gas (inerte o aire) y masa inicial de reactivo. Además, se han desarrollado diversas metodologías experimentales con el objetivo de llegar a extraer un mecanismo cinético característico de la reducción de CuO cuando es activada por energía solar concentrada. Se han conseguido más de 30 archivos de datos de temperaturas y concentración de oxígeno (parámetro empleado para hacer el seguimiento de la reacción) que se van a procesar para obtener las conclusiones pertinentes.
En la última semana de trabajo experimental se han realizado reducciones de una muestra de escoria obtenida de los hornos rotativos de una fundición de mineral de cobre. Dicho material constituye un residuo en la actualidad y se está estudiando algún posible valor añadido. Dado su alto contenido en óxidos, sobre todo de hierro y cobre, su transformación térmica (en metales o componentes de particular valor) mediante la aplicación de energía solar concentrada se plantea como una interesante posibilidad de aprovechamiento.
Alessandro Gallo, Elisa Alonso, Ricardo Pérez-Enciso, Edward Fuentealba, and Carlos Pérez-Rábago
Abstract
New investigations on solar thermochemical storage and other high temperature process are starting at the University of Antofagasta. A small cavity-type solar rotary reactor will be constructed to develop gas-solid reactions. For this reactor concept, is expected that the most part of the solid reactants will remain in the central sector of the drum. Thus, high temperatures at this area will benefit the process performance. Since the radiation profile feeding the solar reactor could have a significant effect on the temperature distribution, in this work it is presented a numerical model to analyze how the use of different concentrators affects the cavity walls temperature. First, a reference case was simulated with flat profile radiation. Then, a solar simulator composed of an elliptical mirror and a high power lamp and a multi-faceted concentrator were considered for the analysis. Their radiation profiles were obtained by ray tracing simulations and integrated in a CFD model that predicts the cavity temperature. It was found a relation between the flux profile and the temperature distribution. This way, higher temperatures were achieved at the back side of the cavity, where the most part of the radiation impinged. The most homogeneous temperature distribution was achieved for the multi-faceted concentrator case, in which lower differences between the back and the lateral wall were found.
Numerical approach to the flux distribution effect on a solar rotary kiln performance
Ricardo Pérez-Enciso, Alessandro Gallo, David Riveros-Rosas, Edward Fuentealba-Vidal, Carlos Pérez-Rábago
Abstract
A method to achieve a uniform flux distribution with a multi-faceted point focus concentrator for laboratory tests is proposed in this work. The method can be applied to different types of receiver - thermal or photovoltaic - and no additional device is required to homogenize the flux. The technique consists in moving the receiver from the focal plane and enlarging the solar spot impinging on it. At the same time, each mirror aim-point is adjusted in order to superimpose the images that have been generated by every facet. To evaluate the method, a real multi-faceted concentrator composed of eighteen spherical mirrors was modeled in a ray-tracing software. The procedure was validated through the comparison of an image of the real solar spot on the receiver generated by three mirrors, and the simulated flux obtained the same way. This way a mean concentrator global optical error of 2.8 mrad was estimated. This value was used then for further analyses. Results show that the concentration factor can be varied in a range of 150–900 suns over a receiver diameter of up to 7 cm. Hence, according to the receiver requirements, it is possible to expand the distribution and to alter the intensity of the flux. Finally, optical parametrical analyses were carried out, from which it is inferred that good quality optics give rise to a more homogeneous solar flux on the receiver.
A simple method to achieve a uniform flux distribution in a multi-faceted point focus concentrator
Irving Cruz Robles
Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
En este trabajo se llevó a cabo la evaluación de un receptor calorimétrico de placa plana mediante una serie de pruebas experimentales realizadas en el Horno Solar del Instituto de Energías Renovables (HoSIER), perteneciente al Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LACYQS). El dispositivo se basó en el calorímetro diseñado particularmente para el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), el cual es parte de LACYQS y se ubica en Hermosillo, Sonora. La singularidad de este diseño contra otros dispositivos calorimétricos fue la integración de aletas al interior. No obstante y a pesar de que se respetaron las principales relaciones internas de superficie, el receptor se escaló y se modificó para adaptarlo al sistema óptico del HoSIER. El dispositivo se construyó, instrumentó y puso en operación para las campañas de experimentación.
Para evaluar el desempeño del receptor calorimétrico se estableció como principal propósito conocer su eficiencia global. Este indicador fue estimado a partir de un sencillo pero útil análisis estadístico de los resultados experimentales. Se abarcaron todas las condiciones de operación empleadas, estas fueron: flujos másicos de agua de 4, 6 y 8 litros por minuto, y 6 aperturas graduales en el mecanismo de atenuación del sistema concentrador, consiguiendo así una variación en la potencia incidente en cada caso. Para la primera serie de pruebas realizadas se mantuvo intacto el tratamiento de sandblasteado en la superficie externa del receptor, así se obtuvo una eficiencia del 55 % con una desviación estándar del ± 3 %; en una segunda fase del trabajo se aplicó un recubrimiento de Zynolite a la superficie logrando que este parámetro llegara a un valor de 95 % ± 2 %.
Se trabajaron los datos experimentales para generar un conjunto de graficas paramétricas, estas permiten visualizar con facilidad el comportamiento térmico del dispositivo. En ellas se compara la potencia incidente en la superficie del receptor, la diferencia de temperatura a la entrada y salida del flujo, la temperatura promedio de placa y las condiciones de gasto volumétrico, en ambos acabados superficiales.
Un tema fundamental de este trabajo es el análisis del desempeño de la superficie interna aleteada. Por ello dentro del marco teórico desarrollado se establecieron parámetros para evaluarla, estos fueron: la efectividad de la aleta, la eficacia de la superficie y la eficiencia total de la superficie interna. Para las condiciones operativas el primero tuvo un rango que va de 6.2 a 9.6, el segundo de 1.59 a 1.99 y el tercero de 0.54 a 0.69, esto obedece a que son variables dependientes del coeficiente promedio de transferencia de calor, a su vez este último depende de las condiciones experimentales como se expresa en la ecuación para calcularlo obtenida por calorimetría. Estos resultados indican que la base teórica es correcta al utilizar un modelo unidimensional para la transferencia de calor en aletas; que resulta positivo adherir aletas al interior del receptor; y que es posible optimizar geométricamente las relaciones de superficie interna para incrementar el flujo de calor.
Otro tema cubierto es el transitorio de calentamiento tanto de la placa receptora como del flujo másico del agua. El modelo analítico propuesto en el marco teórico se comparó con los datos experimentales obteniendo resultados satisfactorios; se acoplaron apropiadamente ambas curvas en los casos estudiados. No obstante se señala que durante el proceso de calentamiento el coeficiente promedio de transferencia de calor se modifica temporalmente, variando así los tiempos característicos que determinan las pendientes de la curva.
La eficacia de la superficie es un parámetro importante porque describe una razón entre el flujo de calor a través de una superficie aleteada y una sin aletas con la misma área de base; su estimación corresponde a dos dispositivos que operan bajo el mismo coeficiente promedio de transferencia de calor. Sin embargo, bajo condiciones experimentales similares no es físicamente posible que esto ocurra para dispositivos con distinta geometría interna, y como se explica en el análisis de resultados, la diferencia impacta significativamente en la temperatura promedio de placa, siendo esta última el motivo por el cual se plantea este tipo de diseño.
Para valorar lo anterior se trabajó un modelo computacional sobre la plataforma de ANSYS FLUENT, adaptando la geometría del receptor calorimétrico. La primera acción fue comparar los resultados generales de una serie de simulaciones contra los datos experimentales, para ello se programaron las condiciones de potencia y flujo utilizadas en las pruebas reales; las aproximaciones fueron razonables permitiendo validar el modelo empleado. Después de esto, se compararon bajo condiciones similares los resultados numéricos de ANSYS FLUENT con geometrías internas distintas, el calorímetro original contra uno similar pero sin aletas, el resultado fue una tendencia creciente en la diferencia de temperatura promedio de la placa receptora en función de la potencia absorbida, confirmando el planteamiento establecido en el análisis de resultados.
El propósito de este proyecto radica en la validación del modelo de ANSYS FLUENT empleado para evaluar el receptor calorimétrico diseñado acorde a las características del CEToC. Con base en el conjunto de trabajos experimentales y computacionales llevados a cabo dentro de esta tesis es posible afirmar la eficacia de este modelo. Así mismo, se ratifica que la integración de aletas optimiza el desempeño térmico de un receptor de placa plana, siendo este el propósito del diseño. Por último, se presentan las consideraciones operativas observadas que sirven como referente para la operación de dispositivos del mismo tipo.
Estudio experimental de un receptor calorimétrico a escala para un sistema de torre central
