Abstract

En la termoquímica solar se realizan reacciones químicas endotérmicas en las que el calor se suministra con radiación solar concentrada. Estos procesos se llevan a cabo en reactores solares, que cuentan en su interior con un receptor volumétrico, cuyo cuerpo puede ser poroso o de canales y se caracterizan por usar su volumen, con una gran área superficial, para proporcionar calor al fluido que pasa a través de su estructura y alcanzar las condiciones requeridas para reaccionar. En este trabajo se estudian tres receptores volumétricos de alúmina con canales hexagonales de diámetros hidráulicos de 7.8, 5.7 y 4 mm. Se dividió el estudio en dos partes: primero se hizo el análisis de la caída de presión experimental y mediante simulaciones en 2D con dinámica de fluidos computacional (CFD). Después, se realizó el estudio de la transferencia de calor en un solo canal por receptor, con un sistema en 2D mediante CFD. La potencia solar se suministró con dos condiciones de frontera de densidad de flujo de calor variable en lapared interior del canal, una con distribución lineal y la otra no lineal. Con la primera parte del trabajo se observó que la caída de presión es mayor para los receptores de canales más pequeños. Los datos de cada receptor se ajustaron a la Ley de Forchheimer con un modelo de segundo grado. La parte de las simulaciones en 2D mostró que la distribución de la caída de presión era similar, sin embargo, la magnitud fue menor dando como resultado la mitad de lo observado en los experimentos. Por último, el estudio de la transferencia de calor en los canales, utilizando las dos condiciones de frontera con comportamiento lineal y no lineal, tuvieron distribuciones de temperatura distintas en las paredes y en el aire, no obstante, la temperatura del aire de salida fue muy similar en ambos casos. Para cada canal se obtuvieron superficies de respuesta para la temperatura del aire de salida en función de la potencia solar y el flujo másico, también se analizó la temperatura de las paredes. Las temperaturas mayores alcanzadas en el aire fueron superiores a los 2,000 K para los tres canales, sin embargo, el canal de 4 mm fue el que tuvo las menores temperaturas en las paredes, lo que lo hace el mejor de los tres. Finalmente se muestra una correlación general para estimar el Nu con respecto al Re, y además correlaciones particulares para cada canal.

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta un estudio teórico enfocado a describir los efectos aerodinámicos presentes en un heliostato cuando este se encuentra en posición de operación. Se analizaron las cargas generadas sobre un heliostato debido al flujo de aire atmosférico. Los estudios se realizaron en distintas orientaciones, variando los ángulos de α (elevación) y β (azimut).

Se planteó un sistema similar a un túnel de viento con un heliostato en su interior y se resolvió mediante software de dinámica de fluidos computacional. Se consideró estado estable, número mach menor al 3% (fluido incompresible) y alta intensidad turbulenta. Para determinar la capacidad predictiva del modelo, se compararon los coeficientes de arrastre, sustentación y volcamiento cuando el aire impacta directamente de espaldas al heliostato a distintos ángulos de elevación con los experimentales disponibles en la literatura especializada. Se obtuvo el error porcentual absoluto medio para estas cantidades, siendo 9.1% para los coeficientes de arrastre, 14.5% para los coeficientes de sustentación y 9.1% para los coeficientes de volcamiento.

Se encontró que los coeficientes de arrastre y volcamiento son máximos en α=0°, mientras que el coeficiente de sustentación alcanza su valor máximo en α=60° y que estos coeficientes son debidos en mayor parte a los gradientes de presión existentes en el heliostato.

Se observó también que estas cargas aerodinámicas son muy sensibles a la intensidad turbulenta existente en el sistema, por lo cual hay que tener especial cuidado al definir esta cantidad, ya que modifican de manera considerable la magnitud de las fuerzas medidas sobre el heliostato.

Abstract

En el presente trabajo se presenta la evaluación teórica y experimental de los efectos provocados por los errores ópticos de canteo y pendiente, de helióstatos concentradores en una planta de torre central. Se desarrolló una metodología experimental para la adquisición de las características ópticas de los helióstatos, mediante una modificación al método de franja. Se determinaron pendientes de superficie en el rango de 5x10-3 radianes por faceta. Los resultados de la caracterización óptica experimental de heliostatos se ingresaron en el simulador por trazado de rayos Tonatiuh, para obtener las distribuciones de radiación solar concentrada en el receptor central. Las distribuciones teóricas de radiación solar concentrada se compararon con las distribuciones experimentales del helióstato F0 en el Campo Experimental de Torre Central (CEToC) en la Plataforma Solar de Hermosillo (PSH). Para realizar las simulaciones teóricas se definió un parámetro de densidad de datos de área de faceta, denominado el número de muestras por lado de faceta (SPFS por sus siglas en inglés), realizando un barrido con diferentes SPFS para cada una de las simulaciones. Utilizando los datos de pendiente y canteo obtenidos experimentalmente de F0, se realizaron simulaciones de los efectos de: grado de los errores de pendiente (desde 1 hasta 8 mrad), distancia focal del helióstato (desde 70 hasta 140.4 metros) y la diferencia entre canteo esférico y canteo experimental. Se demostró que para una gran variedad parámetros simulados solo se requieren 48 SPFS (equivalentes a un punto de muestreo cada 2.5 cm). Adicionalmente se utilizaron los datos de referencia de F0 para la simulación de 80 helióstatos y se compararon los resultados obtenidos con helióstatos ideales. Se encontró que la densidad de potencia máxima se reduce en un 28.4% con respecto a los helióstatos ideales. Se dividió el campo en 40 helióstatos cercanos y 40 helióstatos lejanos, obteniendo que los heliostatos cercanos aportan un 67.96% de la densidad de potencia máxima en el receptor, mientras que los helióstatos lejanos aportaron el 32.04% restante.

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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.

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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

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