Abstract

Se diseñó y desarrolló un colector solar de tubos evacuados con el propósito de calentar aire a temperatura ambiente para usarlo en procesos de secado. El presente estudio fue realizado para evaluar la eficiencia térmica instantánea y global para el equipo. Para lograrlo se midieron las temperaturas del aire de entrada y de salida del colector, también el flujo másico y la irradiancia a lo largo del día. Con estos datos se calculó la cantidad de calor absorbida por el fluido, se obtuvo la eficiencia instantánea usando los valores de la radiación solar global en el mismo plano del colector y posteriormente se determinaron las eficiencias globales. El dispositivo consiste en un tubo de polipropileno de 0.70 m. de largo donde se encuentran colocados 5 tubos evacuados, cuyas medidas son de 1.80 m. de largo, el diámetro del tubo de vidrio exterior es de 0.0582 m. y el diámetro del tubo absorbedor interior es de 0.0451 m., presentando un área efectiva de 0.515 m2. Mediante un arreglo estructural compuesto por un conducto de acero inoxidable con tubería Conduit de pared delgada se inyecta aire dentro de cada uno de los tubos evacuados. El estudio se realizó durante varios días para obtener las curvas de comportamiento térmico del colector bajo diversos flujos de aire. En una primera etapa se mantuvo un flujo constante. Se obtuvieron incrementos de temperatura de hasta 45°C con temperaturas de salida de 80°C y eficiencias de alrededor del 60%. En una segunda etapa se varió el flujo másico y se observaron incrementos de temperatura entre la entrada y la salida del colector de 30°C a 50°C alcanzado temperaturas máximas de salida de hasta 90°C, se calcularon eficiencias de 40% para las altas temperaturas de operación y valores de 60% para incrementos pequeños. De acuerdo con las tendencias lineales presentadas en el incremento de temperatura es posible diseñar sencillos sistemas de control de temperatura para secadores instrumentados.

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%.

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.

Estudio experimental del desempeño térmico y eléctrico de CPV de disco parabólico con celdas de triple unión