Abstract

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

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

La creciente demanda energética provocada por el rápido incremento poblacional, ha llevado a un agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, además de un gran impacto ambiental, ocasionado por las altas emisiones de CO2 generadas en los procesos de transformación que tienen lugar en el sector industrial. La energía solar se postula como una alternativa con gran potencial para mantener la disponibilidad energética en un plano a futuro, reduciendo en gran nivel las altas emisiones de CO2.

Dentro de las tecnologías de concentración solar, las cuales aprovechan la energía solar para transformarla en otro tipo de energía, los reactores solares utilizan la radiación concentrada transformándola en energía térmica, la cual se usa después para llevar a cabo una reacción química endotérmica. A este proceso se le denomina “termoquímico solar”. Un reactor solar es un receptor diseñado para operar a altas temperaturas, minimizando las pérdidas de calor y favoreciendo el intercambio térmico y másico entre las especies que participan en la reacción.

En esta tesis se realiza una propuesta de diseño de un reactor solar destinado a la gasificación, por vapor de agua, de coque de petróleo. El coque de petróleo es un producto residual con un alto contenido de carbono, resultante del proceso de pirolisis de las fracciones pesadas que se obtienen en la refinación del petróleo. Una característica del coque que permite considerarlo como una alternativa de mediano y largo plazo para la generación de electricidad o de vectores energéticos como el hidrógeno, es su poder calorífico equivalente al 80% del de un residual líquido, como el combustóleo. Además, al ser combinado con agua mediante la reacción endotérmica de “gasificación solar”, se produce un gas de síntesis con un valor energético mucho mayor. Este trabajo es una propuesta de optimización para un reactor preliminar diseñado en el Instituto de Energías Renovables (IER) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y que forma parte de una tesis doctoral en desarrollo.

Se realizó una extensa revisión bibliográfica sobre los reactores solares destinados a la gasificación de materiales carbonáceos. En base a esta revisión, se realizan diversas modificaciones en el diseño del reactor, y se proponen dos estudios: El primero consiste en un análisis de distribución de radiación en la zona focal y en la ventana de cuarzo del reactor. En este análisis se realizan diversas simulaciones para conocer la densidad de flujo solar en la zona focal, en donde se coloca la muestra de coque, y fuera de la zona focal, en donde se posiciona la ventana de cuarzo que permite el paso de la radiación al interior del reactor. Con los datos resultantes, se determina la distancia de posicionamiento de la ventana a la cual se obtiene una potencia o flujo con el que la muestra pueda alcanzar las temperaturas de reacción necesarias. Además, mediante estos datos es posible determinar las temperaturas máximas y promedio a las que se expone la ventana, para así poder evitar que éstas sobrepasen los límites a los que el material puede llegar sin deformarse o quebrarse. En el segundo estudio se determina la mecánica de los fluidos de arrastre en el interior del reactor. Para esto se llevan a cabo simulaciones, mediante Dinámica de Fluidos Computacional, en ausencia de radiación y a un determinado flujo másico, obteniendo así la magnitud de los vectores de velocidad producidos dentro del reactor. Para comprender el funcionamiento del modelo y del software, se describen algunas de las propiedades termofísicas de los fluidos, las ecuaciones que rigen el fenómeno a estudiar, se realiza una explicación general de los métodos de solución numérica y una breve definición del concepto y modelado del fenómeno de turbulencia. Posteriormente se realiza el análisis de flujo en el diseño preliminar y se propone una optimización del mismo.
La descripción detallada de las piezas del reactor preliminar, junto con las del diseño óptimo, resultante de los estudios antes mencionados, se realiza al final. Además, se lleva a cabo una breve explicación de algunos dispositivos y accesorios utilizados, y la selección de los materiales adecuados para su construcción.

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.