Abstract

En el año 2015 se llevó a cabo la Conferencia de las Partes 21 (COP21) donde asistieron representantes de los países integrantes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC). Como resultado de esta conferencia surgió el Acuerdo de Paris el cual busca que todos los países tengan como causa común combatir el cambio climático.

Una de las alternativas que ayudarán a alcanzar la meta establecida en el Acuerdo de Paris, son las tecnologías de concentración solar térmica (CST, por sus siglas en inglés), las cuales se basan en concentrar la radiación proveniente del sol mediante dispositivos ópticos para su aprovechamiento.

Dentro de las instalaciones del Campo Experimental de Torre Central (CEToC), existe un dispositivo de medición de flujo de calor concentrado que utiliza la técnica de calorimetría de agua fría, el cual cuenta con un modelo numérico para validar las estimaciones teóricas de las mediciones de provistas por uno o varios heliostatos, sin embargo, el modelo numérico no cuenta con la definición de una condición de frontera constante no uniforme.

En el presente trabajo se realizó un estudio numérico de la transferencia de calor del receptor-calorímetro del CEToC con el software de dinámica de fluidos computacional comercial Ansys Fluent, en el cual a través de un análisis de imagen de la distribución de calor obtenida mediante experimentación, se estableció una condición de frontera que asemeje dicha distribución, con lo cual se mejoró la predicción numérica del modelo.

Como resultado de esta investigación, se obtuvo una menor diferencia respecto a los resultados experimentales conforme se aumenta el número de Reynolds y el número de Rayleigh, de la misma manera, en el análisis para 7 y 1 heliostatos se tuvo una diferencia absoluta global de 0.42%, y 0.17%, respectivamente.

Abstract

Actualmente se realizan numerosas investigaciones para desarrollar tecnologías que supongan una alternativa a las fuentes no renovables de energía, un claro ejemplo es la obtención de biocombustibles mediante la pirólisis de biomasa lignocelulósica, es decir, la descomposición térmica en ausencia de oxígeno de todo aquel material orgánico de origen vegetal compuesto principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Tradicionalmente esta tecnología utiliza hornos eléctricos para proporcionar el calor necesario en la conversión termoquímica, sin embargo se ha propuesto por parte del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LACYQS, en el cual colabora la UNISON), utilizar energía solar concentrada en un reactor para llevar a cabo operaciones de pirolisis de biomasa, en la cual se obtienen tres productos: biochar, un sólido poroso con aplicaciones de remediación de agua o suelos; bio-oil o tar, un aceite de pirolisis utilizado para producir calor o potencia; y gas de síntesis, el cual es rico en hidrógeno y se pude utilizar como combustible. El objetivo de este trabajo ha sido estudiar mediante Dinámica de Fluidos Computacional la relación entre el tipo de biomasa alimentada, la temperatura de operación y el flujo másico de alimentación. Se ha realizado un acople entre las ecuaciones gobernantes para un sistema multifásico euleriano y un modelo cinético detallado que describieron la pirólisis rápida en un reactor de lecho fluidizado, obteniendo una concordancia razonable con datos experimentales de acuerdo a la proporción de productos finales y encontrando una relación directa entre la producción de char y tar con el contenido de ligninas y celulosa respectivamete.

Abstract

A lo largo de los años se han desarrollado hábitos erróneos en el uso de recursos energéticos no renovables, una utilización ineficiente de la energía. Es por ello que, en la actualidad, las energías renovables juegan un papel importante para contribuir al cambio. La energía solar fotovoltaica es una de las energías limpias más populares en el mercado, debido al enorme crecimiento de inversión, infraestructura, investigación y desarrollo tecnológico en la rama solar.

El presente informe detalla el desarrollo de un proyecto de investigación utilizando tecnología de concentración solar, la cual consiste en el aprovechamiento de un espectro más amplio de la radiación solar. Estos sistemas incrementan el flujo radiativo incidente sobre el área focal.

Los sistemas Fotovoltaicos de Concentración (CPV) son un tipo de energía solar fotovoltaica apoyada por elementos ópticos y representan una opción a los sistemas utilizados convencionalmente. La idea principal de éstos sistemas es reducir la cantidad de material semiconductor utilizado en sistemas convencionales, para abaratar los precios, reducir el área necesaria y aumentar la eficiencia de los sistemas.

El proyecto desarrollado durante las residencias profesionales consta de un Sistema tipo Fresnel reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas solares de alta eficiencia, este es un equipo que permitirá caracterizar el desempeño de dispositivos fotovoltaicos sometidos a altos niveles de flujo radiativo con distribución homogénea en condiciones de intemperie, y permite variar la intensidad de flujo radiativo sin modificar la uniformidad de este al desenfocar uno a uno los elementos que componen su óptica primaria.

La realización de estos estudios de comportamiento puede dar inicio al avance y desarrollo de nuevas tecnologías con celdas solares de alta concentración, con la facultad de aprovechar mayormente la radiación solar y aumentar las eficiencias de la tecnología fotovoltaica para le generación de energía.

El sistema tipo Fresnel reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas de alta eficiencia está compuesto por dos partes, la óptica del sistema consiste en superficies que modifican la dirección de la propagación de los rayos solares; definidas como Primer Elemento Óptico (PEO) formado en alrededor de 1800 espejos con área de 25 cm2 cada uno y Segundo Elemento Óptico (SEO) que consiste en un espejo plano de 75 cm de diámetro posicionado a 1.50 m de altura del PEO, mientras que el sistema de seguimiento lo integra un seguido solar de dos ejes.

Para asegurar una eficiencia relativamente alta, es necesario ejecutar evaluaciones de las distribuciones de la radiación incidente en el concentrador/receptor, así como el estudio de la obtención de flujos uniformes a diferentes niveles de concentración solar. Por lo que se desarrollaron dos distintas metodologías de alineación para la caracterización del concentrador: Laser Laica y Colimador de Luz.

Una superficie reflectante puede presentar desviaciones con respecto a su forma ideal, lo que ocasiona que los rayos de luz incidentes sobre el concentrador/receptor no se reflejen de la manera correcta a la distancia focal de diseño y se distribuyan de manera uniforme o que los rayos pueden terminar fuera del área del receptor dependiendo de la magnitud de su error, lo que ocasiona grandes pérdidas de energía en el sistema.

Para poder caracterizar propiamente un concentrador, es necesario contabilizar la precisión del sistema para reducir perdidas, teniendo como referencia el comportamiento ideal. Debido a que es un experimento de medición de flujos de concentración solar, requiere de una inversión considerable tanto en recursos técnicos como en tiempo de implementación.

Para evitar lo anteriormente mencionado, se realiza una simulación numérica mediante softwares de trazado de rayos donde estos podrán anticipar los resultados esperados antes de llevar a cabo las pruebas experimentales. Los softwares de trazado de rayos, son una herramienta comúnmente utilizada para predecir de manera aproximada el comportamiento de un sistema óptico sometido a un flujo radiativo.

Los softwares de simulación numérica para experimentos de concentración solar más utilizados en la actualidad y de la que se hace uso en el desarrollo del proyecto, son SolTrace y Tonatiuh. Estos brindan la ventaja de realizar el diseño optimo característicos, tanto de manera gráfica, como resultados numéricos para ser procesado. El sistema tipo FRESNEL reflectivo de no imagen para la caracterización de celdas solares de alta eficiencia, se desarrolla en las instalaciones de la Plataforma Solar de Hermosillo (PSH). Ésta es una instalación que ha sido creada conjuntamente por la Universidad de Sonora (UNISON) y la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), principalmente para llevar a cabo investigación, desarrollo e innovación sobre tecnología en energía solar.

La PSH pertenece al Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar Y Química Solar (LACYQS), está constituido por una red de grupos de investigación con el propósito de avanzar en el desarrollo de las tecnologías de concentración y química solar en México y tiene como objetivo fortalecer las bases de la industria mexicana en el ramo de las energías renovables y ser facilitador de la sustentabilidad energética de México y el mundo.