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Abstract

Por la relevancia que tendrán las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, ha impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar. Este proyecto, entre sus objetivos, considera la construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR). Ello posibilitaría tener infraestructura para desarrollar tecnología de punta en el área de las aplicaciones termosolares. El horno que se está proyectando sería ubicado en las instalaciones del Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM en Temixco, Morelos.

Se han considerado algunas características básicas para dicho horno, como son, una potencia de 30 kW térmicos, concentraciones pico superiores a los 10 000 soles, un sistema óptico de facetas múltiples con un área de captación cercana a los 40 m2, y una distancia focal de 3.68 m. El horno solar contará con un helióstato de 70 m2, y un edificio de laboratorios para albergar salas de instrumentación y control de los experimentos. El edificio estará equipado con ordenadores, sistemas de adquisición de datos, monitores de video para la observación de experimentos, dispositivos automáticos para los controles del helióstato, atenuador, mesa de ensayos, e instrumentos para monitorear las variables involucradas en los experimentos llevados a cabo en la zona focal.

Con lo anterior, surgió el problema del diseño óptico del HSAFR. Para resolverlo, durante la realización de la tesis, se modeló la concentración de la energía solar mediante el método de trazado de rayos usando la técnica de la convolución. El modelo se implementó a través de un programa de cómputo que permitió conocer las formas e intensidades de las distribuciones de radiación en la zona focal del sistema óptico. El programa de cómputo, desarrollado, permite la simulación de una gran diversidad de configuraciones ópticas, lo que facilitó la realización de los estudios paramétricos requeridos para la optimización del diseño. El trabajo que se desarrolló, como tema de esta tesis, contribuyó de manera fundamental al diseño óptico del HSAFR, con el fin de lograr las características deseadas.

A continuación se describen las etapas que se siguieron para la realización de esta tesis

Planteamiento y solución del modelo matemático

Para el estudio óptico del dispositivo se consideró la metodología de trazado de rayos. Para ello se colaboró de manera cercana con investigadores del la Universidad Complutense de Madrid y del CIEMAT en España. De esta colaboración, se desarrolló un código de simulación que fue implementado en el programa de cómputo elaborado en esta tesis.

Validación del Código Numérico

Los resultados de las simulaciones fueron comparados con otro software disponible. También se realizó la comparación con resultados experimentales obtenidos de otros concentradores solares como son el DEFRAC, en el CIE-UNAM; o el horno solar de la PSA, en España.

Estudio Paramétrico

Con la información teórica disponible se realizó el estudio paramétrico de diversas configuraciones ópticas, a fin de definir la configuración final del sistema que permitieran alcanzar las características deseadas.

Elaboración de trabajos y reportes de investigación

A partir de los resultados esperados en el desarrollo de la tesis se elaboraron, en colaboración con otros investigadores, diversos reportes que contemplan, artículos de investigación y trabajos en congresos.

Abstract

El ciclo termoquímico del óxido de cerio (CeO2) es una opción prometedora para la producción de hidrógeno con energía solar concentrada, ya que es estable a temperatura ambiente ( esto lo hace un buen candidato para almacenar energía), reacciona rápidamente con el agua a una temperatura moderada y no se recombina con el oxigeno, lo cual sucede con el ya bastante conocido ciclo del ZnO.

Recientemente, el paso endotérmico del ciclo del CeO2 fue probado experimentalmente en un reactor de vidrio por Abanades y Flamant (Solar Energy, 80, 1611-23). Sin embargo este proceso podría verse beneficiado si se utilizará un reactor tipo cavidad, ya que con este tipo de reactores las pérdidas radiativas se disminuyen, lo que trae como consecuencia un incremento de las temperaturas en el interior del reactor, y por lo tanto, una mejora en la reacción. Es por ello que en el presente trabajo se propone un reactor tipo cavidad para llevar a cabo la reducción térmica del CeO2. Para proponer un diseño es necesario modelar la transferencia de calor y como este proceso se lleva a cabo a temperaturas muy altas (T ≈ 2300), la transferencia de calor radiativa tiene un papel muy importante en el modelo propuesto.

El presente proyecto de tesis tiene el objetivo principal de modelar la transferencia de calor radiativa en un reactor solar termoquímico, pensado para llevar a cabo la reducción del óxido de cerio. El reactor simulado consistió en una cavidad cilíndrica cerrada con tapas planas, la cual contiene una suspensión homogénea de partículas. Una de las tapas de la cavidad tiene una abertura circular, de radio inferior al radio de la tapa y esta apertura esta ́ sujeta a radiación solar concentrada que proviene de un concentrador paraboloidal. Para llevar a cabo dicho estudio se elaboró un código que se basa en el método Monte Carlo. En el modelo se consideraron las características direccionales con las que entra la radiación solar a la cavidad y, asimismo, se asume que el reactor contiene una suspensión fluidizada de partículas de óxido de cerio radiativamente participativas. En el análisis se toman en cuenta las características radiativas de las partículas (secciones de absorción y esparsión). Éstas se calculan con la teoría de esparcimiento de Mie, usando las propiedades ópticas del CeO2, determinadas por diversos autores en la parte ultravioleta, visible e infrarroja del espectro.

En las simulaciones se analiza, para diversos radios de apertura de la cavidad, el efecto que tienen diversos tamaños de la partículas y varias concentraciones, en la distribución de temperaturas.

Los resultados obtenidos muestran que el radio de apertura óptimo que maximiza temperatura promedio, es alrededor de un 30-40 % más pequeño que el radio que da la mayor absorción solar. A pesar de que este radio óptimo no da la mayor absorción de radiación solar que entra a la cavidad, sí reduce las pérdidas radiativas por emisión. Asimismo se encuentra que sólo una fracción de partículas muy pequeña necesita estar en estado fluidizado con el fin de alcanzar temperaturas de operación.

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.

Abstract

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.

Abstract

En este trabajo de investigación se determinó el error óptico global, el pico máximo de concentración solar y la potencia del Horno Solar del IER, por medio de su caracterización óptica y térmica, aplicando metodologías novedosas y utilizando dispositivos especializados que son únicos en su tipo.

En la caracterización óptica del horno, se determinaron de manera teórica las distribuciones de flujo radiativo concentrado en la zona focal y se obtuvieron las distribuciones reales por medio de dispositivos que permitieron realizar mediciones de manera directa e indirecta de la radiación solar altamente concentrada en la zona focal.

Para la caracterización térmica, se diseñó y construyó un calorímetro de cavidad para la medición directa de la potencia del horno y se realizaron pruebas de fundición de diversos materiales para conocer la temperatura que es capaz de alcanzar.

Los resultados obtenidos del error óptico, del pico máximo de concentración solar y de la potencia del horno solar del IER mediante su caracterización óptica y térmica, indican que es un instrumento de investigación científica de gran calidad, lo que permitirá realizar pruebas y experimentos en México como se hacen en hornos similares en otras partes del mundo.

Abstract

A lo largo de este documento, se realiza una breve introducción a la tecnología solar. Se destacan sus características esenciales y los principales componentes que la conforman. Además, se describen las bases y el funcionamiento de diversas metodologías de caracterización óptica de concentradores solares que han surgido a través de los años gracias al esfuerzo de diversos autores. Se presenta en detalle la teoría detrás de la técnica de Reflexión de Franjas (también llamada Deflectometría a lo largo del documento). Esta técnica está basada en los principios de la interferometría, pero que para este trabajo es modificada y adaptada como herramienta de caracterización de superficies especulares de concentradores solares, debido a las múltiples ventajas que ésta presenta sobre otras técnicas. Se hace énfasis en el desarrollo de los lineamientos a seguir, con la finalidad de obtener un proceso riguroso y estandarizado para efectuar una correcta evaluación del captador y en la descripción de la matemática involucrada durante el proceso. Así mismo, se hacen notar las particularidades a superar en cada uno de los ellos.

La metodología desarrollada para la cualificación óptica de concentradores solares entra en la categoría de las técnicas de reflexión de luz estructurada, en la cual, patrones de franjas sinusoidales son proyectados en una pantalla y su reflejo en una superficie especular es adquirido como imagen por una cámara digital. Las distorsiones observadas en la imagen se pueden relacionar directamente con desviaciones de la geometría ideal en la superficie.

Aspectos relevantes de la técnica son su alta resolución espacial (más de un millón de puntos por faceta), un tiempo relativamente corto necesario para la medición y un arreglo sencillo y de bajo costo. La herramienta desarrollada nombrada FOCuS (por el acrónimo del inglés "Fringe Optical Characterization of Surfaces"), es capaz de obtener las desviaciones de pendiente local con respecto al diseño geométrico ideal de diversos tipos de concentradores solares y calcular su valor RMS (media cuadrática), utilizado como un factor de calidad de la muestra.

Abstract

Para el mejor aprovechamiento de la energía solar se encuentran en desarrollo tecnologías que buscan operar a las temperaturas más altas posibles. El uso de concentradores ópticos de la radiación solar es un factor común en dichas tecnologías. Una de las tecnologías de concentración solar con amplio potencial tanto en la generación de energía eléctrica como de calor de proceso es la conocida como Torre Central. Los Sistemas de Torre Central poseen un receptor solar colocado en la parte alta de una torre donde recibe la radiación reflejada por un campo de heliostatos. Los receptores son los dispositivos encargados de recibir la radiación solar concentrada y transformarla en calor disponible para ser usada por un fluido de trabajo. Dadas las condiciones de operación de estos sistemas los materiales de los receptores son una parte crucial de la eficiencia y desempeño de los mismos. El uso de superficies cerámicas para receptores solares en Sistemas de Torre Central presenta ventajas que otros materiales carecen. En este trabajo se realizó un extenso análisis del estado del arte, de los materiales utilizados en la construcción de receptores de Torre Central con la finalidad de identificar las principales alternativas, ventajas y desventajas de diferentes materiales. Es conocido que el carburo de silicio es un material cerámico que presenta una buena estabilidad y durabilidad a temperaturas altas, sus propiedades termo-mecánicas y de absortancia espectral a la radiación solar, lo coloca como uno de los materiales más prometedores para estas aplicaciones. En este estudio se evaluó el SiC sintetizado por dos métodos buscando contar un material homogéneo y de propiedades controladas para ser evaluado en aplicaciones de receptores solares operados a altas temperaturas.

Dos métodos de síntesis de SiC fueron utilizadas en este estudio: el método de reducción magnesiotérmica y el de reducción carbotérmica, siendo el primero a relativamente bajas temperaturas (650°C) y el segundo a altas temperaturas (1500°C), ambos en atmósferas inertes. En ambos métodos se ha utilizado sacarosa como precursor de carbón, siendo un material de bajo costo y fácil disposición, y sílice sintetizada como precursor de silicio, que además de ser también de bajo costo, se obtiene de manera rápida y sencilla. En el método de reducción magnesiotérmica se han utilizado además, otros dos precursores de silicio: sílice comercial y SBA-15.
Finalmente se realiza una comparación entre los SiC obtenidos por los dos métodos y el SiC comercial por medio de la caracterización de estos materiales, así como la medición de dos propiedades esenciales en los receptores solares: la absortancia espectral a la radiación solar y la porosidad, mostrando en ambos casos valores sustancialmente mejores en los SiC sintetizados que en el comercial, lo que abona a la finalidad de este estudio de usarse en receptores solares en altas temperaturas en Sistemas de Torre Central.