Abstract

El trabajo inicia con una descripción del panorama general tanto del Análisis Estructural como del Método de los Elementos Finitos (método numérico utilizado por el software).

En el segundo capítulo se expone la teoría relacionada con el análisis de marcos espaciales y el cálculo de la fuerza de arrastre sobre los espejos (paneles). Además, se describe la metodología empleada para la correcta modelación de la estructura en el software.

En el tercer capítulo se establecen todas las condiciones previas a la simulación, esto incluye; el cálculo de las fuerzas y de las propiedades de todos los perfiles empleados en la estructura.

El cuarto capítulo presenta los resultados para las dos posiciones del helióstato, además de determinar en un tercer caso de estudio, la velocidad máxima del viento que puede soportar la estructura.

En el último capítulo se discuten los resultados obtenidos y se presentan algunas recomendaciones de diseño justificadas con la realización de nuevos análisis.

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.

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Sin resumen en la tesis

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

Ante la creciente motivación de los países por utilizar energía renovable para la producción de energía eléctrica, hoy en día las plantas termosolares han aumentado en número. Toda planta termosolar cuenta con espejos que concentran la luz solar en un punto llamado blanco, por lo que la presencia de luz solar concentrada en grandes cantidades es usual en este tipo de instalación. A causa de ésto, pueden surgir distintos riesgos, entre ellos de tipo cutáneo, quemaduras en la piel o bien de tipo ocular, ya sea de quemaduras en la retina, en un caso extremo, o de deslumbramiento momentáneo (post imagen), mismo que puede causar distracciones. Algunos estudios anteriores han proporcionado límites máximos permisibles de exposición a este tipo de radiación solar concentrada, así como también los posibles efectos ante dicha exposición. Cada vez aumenta la necesidad de la evaluación de riesgos en este tipo de plantas, con la intención que el ambiente laboral sea de seguridad evitando riesgos a la salud.

Debido a lo anterior, este trabajo tiene como objetivo brindar un análisis representativo que muestre la situación actual de una instalación de este tipo y posteriormente proponer medidas de seguridad para contrarrestar los riesgos potenciales, mediante una estimación de riesgos oculares por radiación solar concentrada en una instalación de tipo torre central destinada al aprovechamiento de energía solar.

La instalación en la cual se llevó a cabo el estudio es el Campo de Prueba de Helióstatos (CPH), operado conjuntamente por la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad de Sonora, y recientemente inaugurado, en Hermosillo, México. La evaluación de riesgos potenciales del brillo y resplandor, originados por el receptor y las superficies de los helióstatos, fue realizada de acuerdo con la metodologíapropuesta en las investigaciones más recientes. Los niveles de radiación reflejada que se obtuvieron en el estudio se comparan con los límites máximos permisibles expuestos en estudios anteriores, para posteriormente sugerir las zonas con clasificación de riesgo en base a la distancia.

Por último, existen diversas instituciones, asociaciones y normativas que se preocupan por la seguridad laboral ante la exposición de este tipo de INR, se retomarán los puntos clave y expresarán las recomendaciones necesarias en este tipo de industria.

Abstract

En este trabajo se presenta el diseño, construcción y la puesta en operación de un prototipo de sistema de control en lazo abierto para helióstatos de torre central, en el que se hace una propuesta de diseño económica capaz de abastecer los requerimientos y especificaciones necesarias para catalogar como eficiente y robusto el desarrollo del prototipo. Dicho sistema de control, permitirá poner en operación un mini helióstato de 5.6 𝑚!, y con la metodología de programación aplicada correctamente a este proyecto, se podrá interactuar con una interfaz de monitoreo de las variables en tiempo real del helióstato. Variables tales como el vector solar, la hora estándar, la posición angular del helióstato en todo momento y la posición en la que el helióstato debe referenciarse de acuerdo con un target de apuntamiento.

Para el diseño del dispositivo se realizó una revisión bibliográfica de los conceptos necesarios para poder desarrollar el proyecto, posteriormente se realizó un análisis de los componentes y equipo necesario para implementar una solución al diseño del sistema de control. Se hace mención que el análisis de los componentes se hace de acuerdo a las características y especificaciones del helióstato, ya que se contaba con la estructura de éste, de acuerdo con esto los componentes fueron categorizados y cotizados para el sistema de control.

Adjunto al diseño, se realizó un análisis del algoritmo de posición solar que se implementaría para obtener el vector solar, por cuestiones de práctica se optó por utilizar el algoritmo de Duffie & Beckman, el cual realiza operaciones con ecuaciones que comprenden constantes como la posición geográfica del helióstato, la hora estándar y el día Juliano de acuerdo a la fecha actual.
Posteriormente se diseñó una interfaz en LabVIEW que se muestra en una PC conectada por medio de cable Ethernet al controlador principal y que mediante protocolo TCP/IP transmite los datos en forma de texto para interactuar con la interfaz en la que se puede monitorear las variables en tiempo real.

El sistema de control se implementó de acuerdo a la solución de diseño en el cual funge como controlador principal un Arduino Mega 2560 que realiza los cálculos del algoritmo y la adquisición de datos de los encoders, así como la obtención de la fecha y hora en tiempo real mediante un módulo externo, motivo por el cual se buscaba establecer una autonomía respecto al cálculo del vector solar, y no tener cierta dependencia de la PC para realizar este tipo de cálculos.

Como etapa final se realizaron una serie de pruebas de validación del funcionamiento de cada una de las etapas del sistema, tanto en la etapa de control como la etapa de potencia y se determinó el funcionamiento eficiente del sistema propuesto.

Abstract

El Horno solar de altos flujos radiativos (HoSIER) es una instalación del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar (LACYQS). El HoSIER  tuvo una primera etapa donde se construyeron las principales estructuras para poder concentrar energía solar, estas estructuras son un helióstato de 36 m2, un atenuador de 42.2 m2 y 211 espejos hexagonales de vidrio pulido, con cinco radios de curvatura distintas, los cuales se encuentran soportados en una estructura paraboloidal, los cuales conforman el concentrador. Posteriormente se hizo un helióstato plano de mayor tamaño (81 m2), así como se agregaron más espejos hexagonales al concentrador para completar 409 y componentes periféricos como la mesa de experimentación y un sistema de refrigeración los cuales son controlados y monitoreados mediante un sistema SCADA.

Para la segunda etapa se pretende desarrollar experimentación con reactores termoquímicos y fotoquímicos, además de realizar estudios térmicos  destructivos de materiales y para ello es necesario equipar  a la mesa de experimentación  con sistemas de alimentación de gases, sistemas de análisis de gases y equipos de medición de temperatura de no contacto.

Los sistemas de alimentación y análisis de gases son parte fundamental para la experimentación en reactores termoquímicos ya que al realizar ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos permiten la obtención de hidrogeno mediante la ruptura de la molécula de vapor de agua. Esto sucede mediante la reducción térmica de un oxido metálico con energía solar altamente concentrada obteniendo así la liberación de oxígeno. La reducción reacciona con agua y de esta forma  se libera hidrógeno y se recupera el óxido de partida.
Los sistemas de alimentación y análisis de gases se diseñaron en base a los requerimientos de algunos experimentos termoquímicos, además de que ya se tenía algunos de los componentes fue necesario agregar al diseño instrumentación electrónica para crear un sistema de alimentación y analísis de gases automatizado.

Para los dispositivos de los susbsistemas de alimentación y análisis de gases es necesario controlar y monitorear su comportamiento durante los experimentos. Para ello se utilizó programación en el entorno de LabVIEW además se utilizaron módulos para Compact RIO de National Instruments para realizar pruebas y adquisición de los datos entregados por los analizadores químicos.

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Sin resumen en la tesis

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.