Carlos Pérez
Septiembre 2015
En el Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HoSIER) se realizó la campaña experimental para evaluar los niveles de homogeneización del flujo radiativo que se obtuvieron en el prototipo de homogeneizador, utilizando un homogeneizador con paredes refrigeradas.
Se posicionó el homogeneizador de paredes refrigeradas (HOFRAC-PR), en el foco del concentrador alineada su longitud con el eje óptico, con la cara de mayor apertura en dirección al flujo incidente concentrado. Para caracterizar los niveles de homogeneización del flujo radiativo se utilizó una cámara CCD para tomar imágenes de receptores cuadrados de 12, 10, 8, 6 y 4 cm de lado, a lo largo de la longitud del homogeneizador.
Como superficie lambertiana se deposito sobre el receptor de aluminio pintura blanca de alta temperatura y papel de alúmina. Los blancos fueron refrigerados por la parte posterior mediante un flujo de aire de 5 m/s.
Para medir la potencia del flujo homogeneizado se colocó un gardón al centro de un cubo maquinado en ladrillo refractorio de alúmina unido por un brazo a la mesa de posicionamiento y a la cámara CCD, se medio la potencia y se tomaron imágenes del flujo radiativo dentro del homogeneizador barriendo sus 50cm de longitud en pasos de 1 cm con un 20% de apertura del atenuador, este porcentaje apertura estuvo limitado por las propiedades de los materiales que sostienen al gardón (tabique de alúmina y tornillos de fijación), así como la velocidad de respuesta del atenuador.
Octubre 2015
En el Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HoSIER), del 12 al 17 de Octubre de 2015 se realizó la campaña experimental de exposición de probetas cilíndricas tubulares de acero inoxidable al ciclado de flujo radiativo, con la finalidad de avaluar la resistencia que este material tiene a la fatiga termo-mecánica.
El experimento tiene el objetivo de evaluar la resistencia del acero inoxidable del acero 316 a la fatiga foto-termo-mecánica a la que se someten los tubos que son componentes de los receptores de torre central. Se planteó su realización en el HoSIER, pues en este instrumento del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar (LACYQS) se puede obtener y superar la magnitud de flujo radiativo que se presenta en los sistemas de concentración de tipo torre central, y además brinda excelente posibilidades de instrumentación. Este experimento, que comprendió la exposición de pares de probetas a 90 ciclos de calentamiento y enfriamiento entre las temperaturas de 285 °C y 565 °C, a distancias de 50, 60 y 75 mm del punto focal de HSAFR, tiene la finalidad de que las probetas del mencionado material, obtengan un esfuerzo provocado por la expansión térmica lograda gracias a la concentración del flujo radiativo solar incidente, simulando la ocurrencia de un nublado total y permitiendo que los elementos del receptor se enfríen a la temperatura de “sal fundida fría” así como en plena operación a temperatura máxima de “sal caliente”, que corresponden a las temperaturas antes mencionadas.
El diseño experimental se determinó con ayuda de un modelo numérico previo, considerando un enfriamiento por aire comprimido, así como la posibilidad del monitoreo térmico y radiativo con termopares, así como las cámaras CCD y termo-gráfica (FLIR SC2500 IR Camera with Extended Wavelength from 0.9 µm to 1.7 µm ; 400 - 3000 ºC) con las que cuenta el HoSIER. Posteriormente estas probetas serán evaluadas en cuanto a sus propiedades mecánicas mediante un ensayo de esfuerzo monotónico a la tracción, empleando equipo de la UNAM.
Octubre 2015
En el Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HoSIER), del 5 al 9 de Octubre de 2015 se realizó la campaña experimental de exposición de probetas planas de acero A36 al calentamiento por incidencia de alto flujo radiativo para la realización del tratamiento térmico que se denomina “templado”.
Actualmente existen interrogantes sobre las oportunidades de mejora que tienen los tratamientos térmicos en el área de la metalurgia, cuando se emplea alto flujo radiativo del espectro solar. Se ha descrito que el componente ultravioleta de la irradiación en la superficie terrestre ofrece algunas ventajas que mejoran significativamente la eficiencia y el tiempo de tratamientos térmicos que activan la alotropía de metales.
Este experimento realizado en el HoSIER consideró un monitoreo de la radiación incidente sobre las probetas mediante la instrumentación con cámara CCD, así como el monitoreo del campo térmico desarrollado en las placas con la instrumentación de termopares y cámara termográfica con las que cuenta el HoSIER. El objetivo de reconocer el flujo radiativo sobre las probetas y del campo térmico permitirá posteriormente analizar las transformaciones en la solución sólida del acero para así concluir sobre la contribución del flujo radiativo a la obtención de austenita en este material y determinar si estas transformaciones ocurrieron únicamente por efecto térmico.
El diseño experimental se determinó con ayuda de un modelo numérico previo, considerando un enfriamiento de las probetas con una solución salina.
Posteriormente estas probetas serán evaluadas en cuanto a sus propiedades metalográficas y mecánicas a la dureza, empleando equipo de la UNAM.
Victor H. Benitez, Jesús Pacheco-Ramirez, Nun Pitalua-Diaz
Abstract
This paper presents the modeling and control of an array of mini-heliostats developed for a solar central tower plant facility located outside of Hermosillo, Mexico. In order to deal with the real time implementation, an algorithm to significantly reduce the error that emerges in the solar tracking requirements is presented. Heliostats are oriented to reflect solar beam to a central receiver located in top of a tower. The heliostat tracks the apparent sun position with determined periodicity. A digital controller perform the tasks of calculate the control action to drive the actuators. The real time implementation of the control action introduces numerical issues that deviates the solar ray of the desired position. Results show that the proposed control strategy is able to track the solar sun position. The controller is implemented in real time via LabVIEW computational environment and is applied in a solar tower plant facility.
Developing a Mini-heliostat Array for a Solar Central Tower Plant: A Practical Experience
El proyecto de LACYQS, enmarca varios resultados importantes de vinculación, que se han derivado en el Campo Experimental de Torre Central CEToC (antes CPH), en este proyecto se han desarrollado varias tecnologías que se han protegido por medio de solicitudes de patentes. De estas solicitudes de patentes que se han generado, se ha buscado poder transferirlas al sector productivo para que impacten en el desarrollo económico y generen impactos de mitigación de gases efecto invernadero, pues al adoptarlas se dejan de consumir combustibles fósiles para la producción de energía eléctrica.
En este sentido, la tecnología que se ha logrado transferir a una empresa local dedicada al sector automotriz, donde su expertise es el trabajo de la metalmecánica, es la de estructuras de seguimiento solar de dos ejes, con la cual esta empresa abre una unidad de negocio dedicada a la fabricación de estructuras fijas y de seguimiento solar para atender el mercado Fotovoltaico y de concentración solar de potencia, ya que sirve para ambas tecnologías solares.
Como lo muestra la figura siguiente, el crecimiento del mercado a largo plazo se verá impulsado por los mercados con una alta demanda de electricidad y la creciente presión para diversificar la generación de energía a partir de fósiles, debido al cambio climático y el aumento de precios de los combustibles. (Apricum solar market model, 2013). Valor del mercado mundial a 2020: 139,105 MDD.
Los mercados emergentes, entre ellos Latino America, ganarán participación significativa en el futuro mapa del mundo PV. (Apricum, 2013). Valor del mercado Latinoamericano a 2015: 1,629 MDD.
Derivado del contexto anterior el LACYQS se ha planteado el siguiente modelo de vinculación Empresa-Academia, donde se describen las líneas de acción en la parte central del marco conceptual, con los siguientes elementos, Transferencia de tecnología, Diseño a la Medida, Investigación y Desarrollo y Joint-Venture.
Estas líneas de acción desprenden las siguientes actividades que son:
* Transferencia de tecnología.- mediante licenciamientos y capacitación a empresas mexicanas y extranjeras * Diseño a la Medida.- de productos y procesos de empresas mexicanas y extranjeras * Investigación y Desarrollo.- para generar conocimiento de frontera enfocado en la innovación * Joint-Venture.- alianzas en entre empresas y/o entre investigadores que generen empresas de base tecnológica
Marzo 2015
Con apoyo del Ing. Pablo Pizarro de la empresa ECOFA S.A. se realizó la primer campaña experimental para la fabricación de ceramicos refractarios para muy altas temperatura, con la finalidad de construir receptores volumetricos con estos materiales. En esta primer experiencia, se trabajo con depositos de óxido de cobre sobre honeycomb de alumina y esponjas de alumina y carburo de silicio.
M. Montiel Gonzalez, J. Hinojosa Palafox, C. Estrada Gasca.
Abstract
A comparison was made between six turbulence models and experimental temperature profiles for the turbulent natural convection in a tilted open cubic cavity. The experimental setup consists of a cubic cavity of 1 m by side with one vertical wall receiving a constant and uniform heat flux, whereas the remaining walls are thermally insulated. The thermal fluid is air and the aperture is facing the heated wall. The temperature profiles were obtained at different heights and depths and each one consists of 10 positions inside the cavity. A commercial computational fluid dynamic software was used for the simulation and different turbulence models of k-εt and k-ω families were evaluated against experimental data. The lowest absolute average percentage difference for the experimental and numerical temperature profiles was for the rk-εt model and the highest was for the sk-ω model.
V. H. Benítez Baltazar, J. H. Pacheco Ramírez, N. Pitalúa Díaz.
Abstract
A comparison was made between six turbulence models and experimental temperature profiles for the turbulent natural convection in a tilted open cubic cavity. The experimental setup consists of a cubic cavity of 1 m by side with one vertical wall receiving a constant and uniform heat flux, whereas the remaining walls are thermally insulated. The thermal fluid is air and the aperture is facing the heated wall. The temperature profiles were obtained at different heights and depths and each one consists of 10 positions inside the cavity. A commercial computational fluid dynamic software was used for the simulation and different turbulence models of k-εt and k-ω families were evaluated against experimental data. The lowest absolute average percentage difference for the experimental and numerical temperature profiles was for the rk-εt model and the highest was for the sk-ω model.
Test of turbulence models for natural convection in an open cubic tilted cavity
M. Montiel-González, J.F. Hinojosa, H.I. Villafán-Vidales, A. Bautista-Orozco, C.A. Estrada.
Abstract
In this work a theoretical and experimental study of heat transfer by natural convection and thermal radiation on a solar open cubic cavity-type receiver is presented. The theoretical study consists on solving the laminar natural convection and the surface thermal radiation on a square open cavity at one end. The overall continuity, momentum, and energy equations in primitive variables are solved numerically by using the finite-volume method and the SIMPLEC algorithm. The thermophysical properties of the fluid are considered, for the first case, as temperature dependent in all the governing equations, and for the second case, constant, except for the density at the buoyancy term (Boussinesq approximation), with the purpose of comparing the results of both theoretical models with experimentally obtained results. Numerical calculations are conducted for Rayleigh number (Ra) values in the range of 104–106. The temperature difference between the hot wall and the bulk fluid (ΔT) is varied between 10 and 400 K, and is represented as a dimensionless temperature difference (φ) for the purpose of generalization of the trends observed. Experimental results include air temperature measurements inside the receiver. These results are compared with theoretically obtained air temperatures, and the average deviation between both results is around 3.0%, when using the model with variable thermophysical properties, and is around 5.4% when using the Boussinesq approximation.
H.I. Villafán-Vidales, A. Jiménez-González, A. Bautista-Orozco, C.A. Arancibia-Bulnes, C.A. Estrada.
Abstract
The tungsten trioxide (WO3) is a promising material with important technologic and scientific applications, due to its electrochromic, gasochromic and photochromic properties. Usually, this material is synthesized following several routes, for example, sputtering, chemical deposition, sol-gel, hydrothermal, among others. However, these methods are complicated, have long processing times and use several chemicals with the possibility of keeping undesirable impurities. In this context, concentrated solar energy is an interesting and feasible option to process materials at a low cost and without greenhouse gas emissions. In this work, a simple and green synthesis method of WO3 by using the Solar Furnace of the Renewable Energy Institute of the National University of Mexico is presented. Tungsten oxide powder is obtained by means of tungsten electrodes in a high-temperature solar reaction chamber designed to work with concentrated solar energy under controlled conditions of the gas atmosphere. The oxidation reaction was carried out for three different temperatures: 600°C, 800°C and 1000°C, and for each temperature three different oxygen molar fractions were studied: 0.33, 0.41 and 1. Some results indicate the oxygen molar fraction does not affect the phase transformation and the WO3 triclinic was the most stable phase, appearing in all the temperature ranges and concentrations. The synthesis reported in this paper is presented as a green alternative in the development of processes for the synthesis of WO3, which promote renewable energy sources with very low greenhouse gas emissions and without toxic residuals.
