Abstract

Los receptores de partículas se están estudiando cada vez más en los últimos años con el objetivo de poder almacenar energía a una temperatura superior a las de las sales fundidas que, hoy en día, representan el fluido comercial que trabaja a mayor temperatura (hasta 560 °C) en las centrales de concentración solar. La búsqueda de una mayor temperatura se debe sobre todo a la necesidad de aumentar el rendimiento termodinámico en los ciclos de potencia para la producción de energía eléctrica. Los receptores de partículas se han propuesto, además de para la generación de electricidad, para la realización de procesos térmicos y termoquímicos con radiación solar. Los receptores o reactores rotativos solares son una de las tecnologías que más se están investigando para llevar a cabo una gran variedad de procesos térmicos en un rango de temperatura muy amplio (entre cientos y miles de grados Celsius) y con materiales muy diferentes (chatarra de aluminio, arena, óxidos metálicos, etc.); lo que lleva a condiciones de funcionamiento muy dispares de los prototipos existentes. Debido a la variabilidad de los datos disponibles, a veces contradictorios, la comprensión profunda del comportamiento térmico y fluidodinámico de los receptores solares rotativos sigue siendo un desafío.

En esta tesis se fijó como objetivo analizar la tecnología de receptores rotativos y estudiar el calentamiento del sistema receptor-partículas para aplicaciones térmicas tales como la producción de calor de proceso o el almacenamiento de energía a temperaturas de hasta 750 – 850 °C, así como su posible integración en procesos industriales de alta temperatura.

La metodología empleada se definió a partir de las conclusiones procedentes de estudios bibliográficos iniciales, la cual combinó ensayos experimentales, llevados a cabo con un receptor rotativo a escala de laboratorio con funcionamiento en modo discontinuo, con modelos numéricos, incluyendo un modelo térmico unidimensional, un modelo CFD bidimensional y un modelo analítico para el escalado del receptor.

A nivel experimental se han realizado diferentes ensayos bajo diferentes condiciones: con y sin rotación, con materiales diferentes (receptor vacío, esferas de alúmina y partículas de carburo de silicio) y con fuentes de radiación diferente (un horno solar y un simulador solar). Los ensayos demostraron la capacidad del receptor rotativo vi de absorber energía térmica de forma significativa y calentar material granular hasta más de 800 °C. A través de las simulaciones CFD se pudo apreciar la influencia de la rotación sobre la homogeneización de la distribución de temperatura en el interior del lecho. Además, con el modelo unidimensional se comprobó que, aumentando el número de lotes después del precalentamiento inicial y reduciendo el tiempo de calentamiento de las partículas, es posible aumentar considerablemente la eficiencia del receptor. Para finalizar la modelización del sistema, mediante un escalado de un receptor rotativo solar para plantas de torre con operación en continuo, se estimó que un dispositivo de este tipo puede alcanzar eficiencias superiores al 83%.

Por último, se analizaron diferentes modos de operación para los receptores estudiados y se propusieron dos configuraciones de funcionamiento dependiendo de la aplicación y su demanda energética. En la primera configuración, la planta solar incluía un sistema de almacenamiento térmico, mientras que la segunda consideraba el tratamiento directo del material granular. Estas dos estrategias representan una integración realista de estos dispositivos solares con los procesos industriales actuales, mostrando una aplicación viable de los hornos solares rotatorios.

Abstract

En el presente trabajo de investigación se llevaron a cabo experimentos con diferentes películas de nanodiamante sobre sustratos de silicio para su posible aplicación como cátodo en dispositivos de emisión termoiónica asistida por fotones (PETE, por sus siglas en inglés). La emisión PETE convierte la luz solar en electricidad por medio de la combinación de excitación fotónica y térmica de los portadores de carga, lo que tiene como resultado una emisión de electrones al vacío y los cuales pueden ser captados por un ánodo. Las películas utilizadas como cátodos fototermoiónicos fueron de ultrananodiamante (UNCD), ultrananodiamante dopadas con boro (B-UNCD), ultrananodiamante al que se le dio un tratamiento térmico con amoníaco (NH-UNCD) y películas de microdiamante (MCD). Se diseñó y construyó un generador fototermoiónico para realizar las mediciones de emisión de corriente PETE, y se utilizó un simulador solar de alta concentración para irradiarlas. Los experimentos se realizaron variando las concentraciones de luz con las que se excitaron las celdas, así como la diferencia de potencial aplicada entre el ánodo colector de electrones y el cátodo. Se encontró que las cuatro películas lograron emitir electrones, mostrando mejores resultados las celdas de B-UNCD y NH-UNDC. El UNCD sin dopaje mostró un buen comportamiento en las curvas de densidad de corriente en función de la temperatura, sin embargo, se observaron menores corrientes que en las películas de B-UNCD y NH-UNCD. En las películas de MCD, aunque se logró obtener mediciones de emisión de corriente electrónica, no se presentó un buen comportamiento ya que se observaron múltiples caídas de corriente durante las experimentaciones. Debido a los resultados obtenidos se llegó a la conclusión de que las mejores condiciones de operación utilizadas en este dispositivo PETE construido fueron 600 KW/m2 y una diferencia de potencial de 12 V, y se proponen las películas de B-UNCD y NH- UNC como una opción muy atractiva para utilizarlas como cátodo emisor de electrones en dispositivos fototermoiónicos. Es importante mencionar que parte del trabajo experimental llevado a cabo se realizó en las instalaciones del Instituto de Energías Renovables de la UNAM.

Abstract

En esta tesis se hace énfasis en que, para que las tecnologías de aprovechamiento de recurso solar puedan volverse completamente competitivas contra las tecnologías convencionales es necesario que exista una disponibilidad energética, la cual se logra con la implementación de un sistema de almacenamiento de energía térmica eficiente y económico. Los parámetros térmicos más importantes a conocer de un material y que determinan si el mismo es adecuado para su aplicación en un sistema de almacenamiento de energía térmica son: su capacidad de almacenamiento de energía, su conductividad térmica y la evolución de sus propiedades térmicas al variar la temperatura y el tiempo. Por esta razón, es necesario conocer a detalle las curvas temperatura-tiempo (o curvas de historia térmica) que presentan los materiales. Los métodos calorimétricos permiten obtener información determinante de los materiales mediante estas curvas. Sin embargo, la técnica más madura en la actualidad, la Calorimetría DSC, presenta múltiples desventajas en la caracterización térmica de materiales, además de que el equipo comercial completo presenta costos muy elevados. El método T History surgió como una alternativa a superar los inconvenientes que presenta la calorimetría por DSC.

En un intento por homologar las ecuaciones de análisis calorimétrico de esta técnica y hacerlas consistentes con la termodinámica del cambio de fases, (Moreno-Álvarez, 2012) formuló el método dT-History, el cual permite obtener información más confiable de las curvas de historia térmica registradas, particularmente de las curvas diferenciales. Esto permite conocer el efecto que cualquier modificación realizada al dispositivo, tendrá en la exactitud y precisión de sus resultados, haciendo más flexible la técnica.

En esta tesis se propuso un procedimiento experimental dT-History basado en la formulación propuesta por Moreno-Álvarez (2012), para conocer la calorimetría de una muestra de sal KNO3, la cual es utilizada en aplicaciones de almacenamiento de energía térmica a altas temperaturas, por ejemplo, para los sistemas de almacenamiento de energía en plantas de potencia termosolar. Con el arreglo experimental fue posible obtener curvas T-t para cada elemento del sistema de calorimetría. La aplicación del método dT-History a las curvas T-t, permitió reproducir los aspectos termodinámicos característicos de la transición de fase observada en la curva de calor específico, como por ejemplo, el rizo de inestabilidad durante el crecimiento de la fase sólida bajo condiciones de subenfriamiento.

Las curvas de calor específico obtenidas con el arreglo experimental propuesto, fueron comparadas con la curva de calor específico en función de las temperaturas obtenidas en la literatura, también para una muestra de sal de KNO3, pero mediante calorimetría DSC. Los resultados fueron cualitativamente similares, pero con la técnica dT-History, se pudo apreciar con mayor detalle el efecto del cambio térmico (dT/dt) del proceso en la curva de calor específico Cp1.

La semejanza entre las curvas finales de calor específico en función de la temperatura obtenidas experimentalmente y la reportada en la literatura, es un indicio de que la técnica dT-History recrea de manera efectiva el comportamiento térmico de la muestra de sal, además, presenta mayor detalle en el comportamiento del calor específico en el tiempo. Este tipo de curvas tiene una gran ventaja con respecto a la ecuación de calor básica para la obtención del calor específico, ya que en ésta última no se conoce la variación de la temperatura contra el tiempo. Si se extrapolara este acercamiento a las aplicaciones en el área del almacenamiento térmico de la energía generada con medios solares, podríamos decir que la curva de calor específico obtenida con la técnica de calorimetría dT-History permite, además de conocer la cantidad de energía requerida, realizar un cálculo adecuado de la disponibilidad de la energía, ya que se conoce la parte temporal.

Como actividad adicional, se comprobó que el arreglo experimental propuesto en esta tesis para la obtención de las curvas T-t, resulta ser de gran utilidad para la evaluación de la herramienta numérica propuesta Moreno-Álvarez et al. (2019) para obtención de curvas T-t simuladas para materiales de cambio de fase puro, ya que éste es de fácil montaje y operación.

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta el desarrollo de los subsistemas y componentes necesarios para lograr el funcionamiento y para la evaluación de un concentrador solar de tipo cilíndrico parabólico. De tal manera que se realiza para cada uno de estos subsistemas un desglose, en el cual se muestra y describe el diseño, el funcionamiento, la metodología seguida, la puesta en marcha de cada uno y la evaluación de estos.

Como principales secciones de este trabajo se presentan el sistema de control para el seguimiento solar, la caracterización óptica del sistema, el modelo numérico para su comportamiento térmico e hidrodinámico, y la experimentación del sistema completo para lograr la validación del modelo matemático. En cada uno de estos apartados se explica a detalle el desarrollo del sistema, así como los componentes usados y los resultados obtenidos.

En el sistema de seguimiento se desarrolló un sistema de control capaz de cambiar entre tres transductores para la realización del seguimiento, que a su vez cuenta con tres diferentes modos de operación; como son, el modo automático, modo libre y modo manual. A su vez, se hizo la evaluación de estos tres transductores, llegando a la elección de uno como el de mejor respuesta (acelerómetro). Finalmente, se hace una mejora con la implementación de una mirilla, la cual trabaja en conjunto con cualquiera de los otros tres transductores, haciendo así menor la deriva en el sistema de seguimiento de la trayectoria aparente del Sol.

En la caracterización óptica del canal parabólico, se determinó un error óptico global, el cual sería usado posteriormente para el modelado numérico. La obtención del error óptico global del sistema de concentración solar parte de una comparación de perfiles de distribución de flujo radiativo concentrado. El perfil de distribución de flujo teórico se obtiene de un modelado de trazado de rayos, mientras que los perfiles reales fueron medidos experimentalmente usando dispositivos que permitieron hacer dichas mediciones sobre el eje focal del sistema. Ambos perfiles de distribución de flujo radiativo concentrado fueron obtenidos sobre un plano receptor con características de blanco Lambertiano.

Para el modelado numérico se empleó el método de volúmenes de control, con el fin de conocer el comportamiento térmico e hidráulico del fluido de trabajo en el arreglo del tubo absorbedor, así como en cada uno de los componentes de este. Una de las contribuciones al modelo es el acople de la respuesta de un modelo de trazado de rayos, teniendo como punto de partida a la distribución de flujo incidente sobre el tubo absorbedor para así poder conocer la influencia de esta sobre la respuesta del sistema completo. Los resultados obtenidos en cada uno de los subsistemas y para el sistema en conjunto indican que el dispositivo usado requiere de varias mejoras, no así los sistemas desarrollados, por lo que es posible decir que lo desarrollado de este trabajo es de utilidad. Por lo que, como siguiente paso se tiene el mejoramiento del dispositivo de concentración solar, sobre todo en la parte de manufactura.