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Desarrollo de un Concentrador Anidólico tipo Horno Solar para la Caracterización de Celdas Fotovoltaicas con Concentración Solar
Héctor Iván González Camarillo
Tutor: Carlos A. Pérez-Rábago
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%.
Estudio experimental del desempeño térmico y eléctrico de CPV de disco parabólico con celdas de triple unión
Nidia Aracely Cisneros Cárdenas
Tutor: Rafael Enrique Cabanillas López
Abstract
Este análisis experimental consiste en la evaluación del desempeño térmico y eléctrico de un concentrador solar fotovoltaico de disco parabólico utilizado para la generación de potencia eléctrica a partir de celdas de triple unión. Este sistema fue desarrollado por investigadores de la University of Arizona; la óptica utilizada se denomina XRX-Kohler y logra una concentración de 1000x produciendo 1.2 kW y 2.4 kW eléctrico y térmico, respectivamente, a una radiación directa normal de 900 W/m2 y a una temperatura ambiente de 20°C. Se realizaron diferentes tipos de pruebas experimentales en las que se evaluó la capacidad de potencia de potencias térmica y eléctrica en operación normal, la producción máxima de potencia eléctrica, la producción de potencia eléctrica en función de la temperatura de operación y la producción de potencia eléctrica durante una jornada completa. Encontrándose valores máximos de eficiencia eléctrica instantánea de 24.3% y de 22.6% para operación continua para un día de operación.
Integración de un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador de foco puntual (DEFRAC)
Ricardo Pérez Enciso
Tutor: Carlos A. Pérez-Rábago
Abstract
En este trabajo de investigación, se implementó, caracterizó y analizó teórica y experimentalmente, un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador solar de foco puntual, denominado DEFRAC (Dispositivo Experimental de Flujos Radiativos Altamente Concentrados). La intención de la implementación del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, fue la de aprovechar la versatilidad que brindan estos dispositivos de funcionar obteniendo el calor de diversas fuentes térmicas, como por ejemplo: el calor de desecho de un equipo, sistema o proceso, el calor producido por la quema de algún combustible o el calor proveniente de un sistema de concentración solar. Para este trabajo se utilizó un dispositivo termoeléctrico funcionando con efecto Seebeck para la generación de potencia eléctrica a través de una diferencia de temperaturas entre sus caras. Esta diferencia de temperaturas se logró usando como fuente de calor resistencias eléctricas o un sistema de concentración solar y como sistema de refrigeración, un calorímetro de placa plana, que para este trabajo se llamo intercambiador de calor de placa plana (ICPP). Con este arreglo se logró obtener una cara caliente y otra fría en el dispositivo termoeléctrico.
Para conocer el comportamiento del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, primero se modeló la distribución de la radiación solar concentrada sobre la placa receptora del sistema de generación eléctrica, usando el método de trazado de rayos con el código CIRCE2 y TONALLI. Con esa modelación, se encontró que la distancia óptima del plano de la placa receptora del sistema de generación eléctrica, con la que se obtuvo una distribución uniforme de radiación solar concentrada en un spot (mancha) solar de 3 cm de diámetro, fue de 1.70 m, siempre y cuando se orienten los espejos hacia el centro del receptor. Esta modelación de distribución de radiación solar concentrada, se corroboró con los resultados de los experimentos, por medio de imágenes CCD del spot solar reflejado sobre la placa receptora y se encontró una desviación menor a 2 %.
Para estimar las temperaturas que se alcanzarían en las placas de cobre del sistema de generación eléctrica, se desarrollo un programa del fenómeno de la transferencia de calor, usando MatLab, con el que se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 514 K y en la cara fría de 360 K. Por otro lado se hizo una modelación del fenómeno de transferencia de calor con un software comercial especializado en la simulación de este tipo de fenómenos (FLUENT), en el que se pudo desarrollar un modelo de la transferencia de calor por conducción y del comportamiento del fluido de refrigeración dentro del ICPP del sistema de generación eléctrica y se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 498.9 K y en la cara fría de 348.7 K.
Para caracterizar el sistema de generación eléctrica, se diseñó una campaña experimental con la que se logró reproducir el comportamiento del dispositivo termoeléctrico, como el reportado en trabajos similares realizados con anterioridad [Palacios, 1998] [Rowe, 1998], en los que se describe que se tiene una relación lineal en la curva voltaje-corriente. Por otro lado, las eficiencias más altas del dispositivo termoeléctrico fueron de 2.7% con una generación de potencia eléctrica máxima de 3 W, mientras que el sistema de generación eléctrica tuvo una eficiencia de 1.5% para potencias de entrada aproximadas a los 200 W, usando solo 3 espejos del DEFRAC.
Integración de un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador de foco puntual (DEFRAC)