Abstract

Una forma de aprovechar la energía solar es convertirla en energía térmica a alta temperatura mediante dispositivos de concentración solar. Los sistemas de torre central se utilizan para la producción de electricidad a partir de la radiación solar concentrada por grandes espejos planos (helióstatos). Un receptor colocado en la parte superior de la torre transfiere la energía solar a un fluido para su posterior aprovechamiento. En este trabajo se realiza un estudio numérico de la convección natural y forzada en régimen turbulento en el receptor de un sistema termosolar de torre central, el receptor rectangular de cavidad tiene dimensiones de 1 m x 2 m x 2 m, donde la pared opuesta a la abertura se mantiene a una temperatura uniforme y constante. Se analizaron 7 temperaturas de esta pared del receptor: 400, 500, 600, 700, 800, 900 y 1000 K. Para el caso donde se toma en cuenta la convección forzada se consideraron dos corrientes de aire por separado, una con orientación perpendicular a la abertura y dos velocidades de viento de 5 y 10 m/s; otra con orientación paralela a la abertura y mismas dos velocidades. Se reportan los campos de temperatura, patrones de flujo y el análisis de la transferencia de calor.

Para la solución del problema físico planteado se hace uso del programa de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Fluent, el cual hace uso del método numérico de volumen finito para la solución de las ecuaciones de conservación. Se utilizó el algoritmo SIMPLE para calcular la presión y la velocidad secuencialmente. Para la discretización de los términos advectivos de las ecuaciones de conservación y turbulencia se hace uso del esquema upwind de segundo orden, y para el término de presión el PRESTO.

Una vez aproximada la solución de estas ecuaciones, se encuentra que el espesor de las capas límites térmicas e hidrodinámicas para convección natural aumentan conforme disminuye el número de Rayleigh. También se reporta la aparición de un plano de simetría para los casos de convección natural y de convección combinada (natural y forzada) con una corriente perpendicular a la abertura. El tomar en cuenta la convección forzada afecta notablemente tanto la distribución de los patrones de flujo como el campo de temperatura dentro de la cavidad.

Por otro lado también destacan los resultados sobre el análisis de la transferencia de calor, en los que se aprecia como el número de Nusselt aumenta con el incremento del número de Rayleigh y de Reynolds. El caso en el que solo se considera convección natural reporta las menores pérdidas de calor siendo de 18.73 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 2.07 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), en comparación de las más altas registradas para el caso de convección combinada con orientación de viento perpendicular a la abertura y Re=1.26x106 (10 m/s) que son de 31.80 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 6.25 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), es decir se da un incremento de 70% y 202% respectivamente

Abstract

Ante la creciente motivación de los países por utilizar energía renovable para la producción de energía eléctrica, hoy en día las plantas termosolares han aumentado en número. Toda planta termosolar cuenta con espejos que concentran la luz solar en un punto llamado blanco, por lo que la presencia de luz solar concentrada en grandes cantidades es usual en este tipo de instalación. A causa de ésto, pueden surgir distintos riesgos, entre ellos de tipo cutáneo, quemaduras en la piel o bien de tipo ocular, ya sea de quemaduras en la retina, en un caso extremo, o de deslumbramiento momentáneo (post imagen), mismo que puede causar distracciones. Algunos estudios anteriores han proporcionado límites máximos permisibles de exposición a este tipo de radiación solar concentrada, así como también los posibles efectos ante dicha exposición. Cada vez aumenta la necesidad de la evaluación de riesgos en este tipo de plantas, con la intención que el ambiente laboral sea de seguridad evitando riesgos a la salud.

Debido a lo anterior, este trabajo tiene como objetivo brindar un análisis representativo que muestre la situación actual de una instalación de este tipo y posteriormente proponer medidas de seguridad para contrarrestar los riesgos potenciales, mediante una estimación de riesgos oculares por radiación solar concentrada en una instalación de tipo torre central destinada al aprovechamiento de energía solar.

La instalación en la cual se llevó a cabo el estudio es el Campo de Prueba de Helióstatos (CPH), operado conjuntamente por la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad de Sonora, y recientemente inaugurado, en Hermosillo, México. La evaluación de riesgos potenciales del brillo y resplandor, originados por el receptor y las superficies de los helióstatos, fue realizada de acuerdo con la metodologíapropuesta en las investigaciones más recientes. Los niveles de radiación reflejada que se obtuvieron en el estudio se comparan con los límites máximos permisibles expuestos en estudios anteriores, para posteriormente sugerir las zonas con clasificación de riesgo en base a la distancia.

Por último, existen diversas instituciones, asociaciones y normativas que se preocupan por la seguridad laboral ante la exposición de este tipo de INR, se retomarán los puntos clave y expresarán las recomendaciones necesarias en este tipo de industria.

Abstract

En una planta de concentración solar para generación de energía eléctrica del tipo torre central, se requiere de un gran conocimiento de la trayectoria solar y por supuesto de un cálculo muy preciso de la misma. Lo anterior debido a que el equipo requerido para realizar la concentración solar denominado Helióstato para su correcta operación requiere precisiones de alrededor de 0.1 grados o menores de arco angular. Sin embargo, la complejidad del problema no solo radica en la precisión necesaria, también requiere que el sistema sea implementado a un bajo costo debido a que un planta regularmente cuenta con miles de helióstatos. Para poder alcanzar estos requerimientos es necesaria la instalación de sensores de posición, monitoreo de variables ambientales, un sistema de retroalimentación por visión artificial, y un trabajo extenso en el desarrollo del software de control para el procesamiento de toda esa información y la toma de decisiones. Esto implica toda una gama de problemáticas a resolver, desde la adquisición de datos ambientales, control de motores de potencia, alineamiento de mecanismos, cálculos vectoriales de posición solar y heliostático, así como de procesamiento de imágenes para retroalimentación de imagen solar.

En el presente trabajo de tesis se muestra un esquema completo y bastante específico de solución a muchos de los problemas presentados en la automatización de una planta de torre central, así como de las variables necesarias para la correcta operación de los helióstatos. Además, se presenta un esquema de retroalimentación fuera de línea (offline) que cumple con los requerimientos para mantener una eficiencia del 100% en el funcionamiento de helióstatos, compensando el problema de “deriva” de imagen solar, al menos por 7 días continuos de operación.

El sistema de control del Campo de Pruebas de Helióstatos está en funcionamiento en la ciudad de Hermosillo, Sonora. Es un proyecto de investigación solar creado por el Centro de Investigación en Energía (CIE) y la Universidad de Sonora(UNISON).

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

Un helióstato dentro de la tecnología de torre central es el dispositivo encargado de recibir y concentrar la radiación solar en un receptor. En Hermosillo, Sonora, México la UNAM en colaboración con la UNISON están desarrollando el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), parte de las actividades que ahí se realizan se orientan al análisis del diseño, construcción, evaluación y caracterización de nuevos prototipos de helióstatos. La búsqueda de mejoras a los prototipos de helióstatos existentes en el CEToC se encamina a la optimización de su operación y abaratamiento de su manufactura. El presente trabajo describe el desarrollo de un prototipo de helióstato de 37.44 m2. Entre las mejoras incorporadas al presente diseño está una configuración de facetas en herradura, para que el helióstato sea abatible y disminuir así el ensuciamiento por polvo en el área reflejante; peso aligerado, a través de la reducción del espesor del vidrio y el consecuente aligeramiento estructural; un cabezal más barato y preciso, así como más ligero. Se simularon distintas formas de superficie para las facetas, esto para evaluar el desempeño de concentración de este sistema óptico, de esta manera se observó la factibilidad de aumentar la concentración propiciando la deformación de facetas, siempre y cuando éstas sean de los helióstatos cercanos a la torre. El criterio de diseño del nuevo marco estructural se rigió por la selección de componentes de dimensiones comerciales, evitando desperdicio de material y aminorando el trabajo de manufactura. Se simuló el comportamiento mecánico estructural del nuevo prototipo, de este análisis se deduce que el modelo carece de rigidez, y por tanto presenta grandes desplazamientos y deformaciones. Dichas características son indeseables en un concentrador óptico pues la calidad de la imagen que reflejan es deficiente. El nuevo helióstato se instaló en el CEToC, en donde se llevaron a cabo diversas pruebas para evaluar el desempeño global del prototipo. Estas pruebas fueron: mancha solar formada por el helióstato, reflexión de franjas, medición de la deformación de la estructura. Finalmente, se discuten los resultados de estas pruebas y se formulan conclusiones recomendaciones para trabajo futuro.

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El estudio de la transferencia de calor en cavidades abiertas es un tema de gran interés por sus aplicaciones en varios campos de la ingeniería térmica como: diseño térmico de receptores en sistemas termosolares, enfriamiento de dispositivos electrónicos, construcciones, etc. Entre los mecanismos de transporte de calor en estos sistemas, la convección natural ocupa un lugar importante al estar siempre presente en cavidades abiertas.

Se han reportado en la literatura varios estudios de transferencia de calor en cavidades abiertas que pueden ser clasificados como: numérico, experimental y numérico- experimental. En el presente trabajo se plantea un estudio experimental y numérico de la convección natural turbulenta en una cavidad cúbica abierta considerando la influencia de la radiación.

Se consideraron diferentes flujos de calor constante (75, 150, 300, 450 W) en la pared vertical opuesta a la abertura, mientras que el resto de las paredes se aislaron térmicamente. Se analizó el efecto de la emisividad de las paredes considerando dos casos con emisividades reportadas en la literatura: (a) paredes cubiertas de aluminio pulido (0.05) y (b) las paredes están pintadas de negro (0.9).

Se utilizó el software de dinámica de fluidos computacional FLUENT 6.3 para realizar la simulación de cada caso experimental, se consideraron las propiedades termofísicas variables con la temperatura, se seleccionó el modelo de turbulencia k- y el esquema MUSCL en la discretización de los términos advectivos, el método de Coordenada Discreta para la Solución de la Transferencia de Calor por Radiación y para el acoplamiento de las ecuaciones se implementó el algoritmo SIMPLEC. Una vez obtenida la información numérica se compararon los perfiles de temperatura y coeficientes de transferencia de calor con los datos experimentales, también se muestran
y analizan los campos numéricos de: temperatura, magnitud de la velocidad y viscosidad turbulenta.

El espesor de la capa límite térmica adyacente a la pared caliente, se midió experimentalmente y se calculó mediante CFD, observándose un espesor que varió entre 0.025 m y 0.03 m, dependiendo de la emisividad de las paredes. Con los resultados obtenidos se determinó que los coeficientes de transferencia de calor aumentan con la emisividad y también que las diferencias porcentuales entre los valores experimentales y numéricos de los coeficientes de transferencia de calor y números de Nusselt promedio, aumentaron con la participación de la radiación.

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En este trabajo se presentan las etapas de diseño de un horno solar de alta concentración con capacidad de 1kW térmico, para el cual han sido analizadas diversas opciones en cuanto a arreglos de los componentes ópticos; así como también de distintos mecanismos y sistemas de movimiento para apuntamiento solar en la operación del horno. Para esto han sido empleadas distintas herramientas y técnicas de diseño como son las simulaciones ópticas mediante trazado rayos y modelado asistido por computadora de elementos mecánicos. En base a simulaciones, se evaluaron las características de desempeño general del horno para diversos días del año y con distintos tipos de concentradores. Se presentan también las características de los mecanismos de movimiento para el helióstato del horno, los cuales son únicos en su tipo para esta aplicación. Es presentada la metodología y los resultados de pruebas de caracterización del horno para determinar sus principales propiedades, como son la eficiencia óptica, nivel de concentración, potencia del sistema y cuantificación de la desviación (deriva) que presenta el horno en conjunto.

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.