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.

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.

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Sin resumen en la tesis

Abstract

A lo largo de este documento se presenta en detalle la caracterización óptica de un sistema de concentración solar de Torre Central. Se presenta una breve introducción de la tecnología solar así como de sus características, se enfoca en los componentes que la conforman y principalmente en la caracterización óptica de los sistemas reflectores tipo helióstato, analizando sus errores en seguimiento y proyección solar a través de algoritmos de evaluación y mediante un método conocido como deflectometría o proyección de franjas.

Abstract

Dada la importancia de promover la investigación y desarrollo de las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Universidad de Sonora (UNISON) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, han impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar, encontrándose entre sus objetivos la reciente construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR) en el Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM. Dicho horno solar se encuentra conformado por dos subsistemas principales: un concentrador parabólico que concentra la radiación den un punto focal y un helióstato plano de 81 m2, el cual se encarga de redireccionar la luz solar hacia el concentrador.

En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación de una metodología original para la alineación de helióstatos planos en base a una revisión de las técnicas de alineación existentes a fin de obtener un frente de onda plano reflejado por un helióstato, que maximice los niveles de concentración de radiación que pueden obtenerse en hornos solares de alto flujo radiativo.

De manera complementaria se describe la campaña experimental para la evaluación y caracterización de la alineación propuesta y se presentan los resultados obtenidos, dentro de los cuales podemos mencionar la determinación del error óptico del sistema helióstato- concentrador, comparativas cuantitativas y cualitativas con una metodología alternativa de alineación, un procesamiento de imágenes para mostrar la mejora del desempeño del HSAFR mediante la alineación del helióstato al maximiza la densidad de radiación solar concentrada. Así mismo, se presenta el análisis y discusión de los resultados para determinar los parámetros más importantes en este estudio, así como las ventajas ofrecidas por esta metodología ante otras alineaciones.

Este trabajo busca contribuir a la investigación científica, mediante el desarrollo tecnológico y documentación de nuevo conocimiento en este campo de la ciencia que si bien, a nivel mundial tiene varias décadas en desarrollo, en México se presenta como un área de oportunidades importante que contribuya a reducir la brecha tecnológica que existe entre los países desarrollados y nuestro país, siendo este tesis pionera y de carácter único a nivel nacional para tornarse un antecedente para futuros estudios en el campo de la tecnología termosolar de alta concentración no sólo en México sino a nivel internacional.

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.

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Sin resumen en la tesis

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.

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.