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Abstract

En este trabajo se presenta el diseño, construcción y la puesta en operación de un prototipo de sistema de control en lazo abierto para helióstatos de torre central, en el que se hace una propuesta de diseño económica capaz de abastecer los requerimientos y especificaciones necesarias para catalogar como eficiente y robusto el desarrollo del prototipo. Dicho sistema de control, permitirá poner en operación un mini helióstato de 5.6 𝑚!, y con la metodología de programación aplicada correctamente a este proyecto, se podrá interactuar con una interfaz de monitoreo de las variables en tiempo real del helióstato. Variables tales como el vector solar, la hora estándar, la posición angular del helióstato en todo momento y la posición en la que el helióstato debe referenciarse de acuerdo con un target de apuntamiento.

Para el diseño del dispositivo se realizó una revisión bibliográfica de los conceptos necesarios para poder desarrollar el proyecto, posteriormente se realizó un análisis de los componentes y equipo necesario para implementar una solución al diseño del sistema de control. Se hace mención que el análisis de los componentes se hace de acuerdo a las características y especificaciones del helióstato, ya que se contaba con la estructura de éste, de acuerdo con esto los componentes fueron categorizados y cotizados para el sistema de control.

Adjunto al diseño, se realizó un análisis del algoritmo de posición solar que se implementaría para obtener el vector solar, por cuestiones de práctica se optó por utilizar el algoritmo de Duffie & Beckman, el cual realiza operaciones con ecuaciones que comprenden constantes como la posición geográfica del helióstato, la hora estándar y el día Juliano de acuerdo a la fecha actual.
Posteriormente se diseñó una interfaz en LabVIEW que se muestra en una PC conectada por medio de cable Ethernet al controlador principal y que mediante protocolo TCP/IP transmite los datos en forma de texto para interactuar con la interfaz en la que se puede monitorear las variables en tiempo real.

El sistema de control se implementó de acuerdo a la solución de diseño en el cual funge como controlador principal un Arduino Mega 2560 que realiza los cálculos del algoritmo y la adquisición de datos de los encoders, así como la obtención de la fecha y hora en tiempo real mediante un módulo externo, motivo por el cual se buscaba establecer una autonomía respecto al cálculo del vector solar, y no tener cierta dependencia de la PC para realizar este tipo de cálculos.

Como etapa final se realizaron una serie de pruebas de validación del funcionamiento de cada una de las etapas del sistema, tanto en la etapa de control como la etapa de potencia y se determinó el funcionamiento eficiente del sistema propuesto.

Abstract

El Horno solar de altos flujos radiativos (HoSIER) es una instalación del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar (LACYQS). El HoSIER  tuvo una primera etapa donde se construyeron las principales estructuras para poder concentrar energía solar, estas estructuras son un helióstato de 36 m2, un atenuador de 42.2 m2 y 211 espejos hexagonales de vidrio pulido, con cinco radios de curvatura distintas, los cuales se encuentran soportados en una estructura paraboloidal, los cuales conforman el concentrador. Posteriormente se hizo un helióstato plano de mayor tamaño (81 m2), así como se agregaron más espejos hexagonales al concentrador para completar 409 y componentes periféricos como la mesa de experimentación y un sistema de refrigeración los cuales son controlados y monitoreados mediante un sistema SCADA.

Para la segunda etapa se pretende desarrollar experimentación con reactores termoquímicos y fotoquímicos, además de realizar estudios térmicos  destructivos de materiales y para ello es necesario equipar  a la mesa de experimentación  con sistemas de alimentación de gases, sistemas de análisis de gases y equipos de medición de temperatura de no contacto.

Los sistemas de alimentación y análisis de gases son parte fundamental para la experimentación en reactores termoquímicos ya que al realizar ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos permiten la obtención de hidrogeno mediante la ruptura de la molécula de vapor de agua. Esto sucede mediante la reducción térmica de un oxido metálico con energía solar altamente concentrada obteniendo así la liberación de oxígeno. La reducción reacciona con agua y de esta forma  se libera hidrógeno y se recupera el óxido de partida.
Los sistemas de alimentación y análisis de gases se diseñaron en base a los requerimientos de algunos experimentos termoquímicos, además de que ya se tenía algunos de los componentes fue necesario agregar al diseño instrumentación electrónica para crear un sistema de alimentación y analísis de gases automatizado.

Para los dispositivos de los susbsistemas de alimentación y análisis de gases es necesario controlar y monitorear su comportamiento durante los experimentos. Para ello se utilizó programación en el entorno de LabVIEW además se utilizaron módulos para Compact RIO de National Instruments para realizar pruebas y adquisición de los datos entregados por los analizadores químicos.