Enseñanza de Manejo de Energía mediante Validación de Modelos Matemáticos en Prototipos de Colectores Térmicos Solares

Abstract

El aprovechamiento de las energías renovables tiene importancia creciente en los programas de investigación y desarrollo sustentable de los países desarrollados así como de aquellos en desarrollo. La utilización de la energía solar en todas sus manifestaciones: solar térmica, solar fotovoltáica, eólica, hidráulica, biomasa, oceanomotriz, tiene un potencial capital para cubrir las demandas energéticas de la población mundial. Se encuentran en el mercado captadores térmicos solares con eficiencias térmicas globales de 25-30 %, a precios accesibles para la población. Sin embargo, es necesario que nuestro país, con una irradiancia diaria promedio de 5-6 kW/hm2, desarrolle tecnología para aprovechar este recurso. La comprensión de los fundamentos termodinámicos de estos intercambiadores de calor, es fundamental para que el futuro ingeniero químico, pueda sustituir, algunos de los componentes de estos dispositivos, por materiales nativos, que tienen un menor costo y que pueden alcanzar eficiencias térmicas globales que suministren la carga térmica requerida para usos sanitarios o industriales. En este contexto de reducir las importaciones de dispositivos de captación térmica solar y utilizar materiales y mano de obra nacional, es que se propone el siguiente proceso de enseñanza de Laboratorio y Taller de proyectos de sexto semestre de IQ. El plan de estudios de la carrera de IQ contiene la línea curricular Laboratorio y Taller de Proyectos, del cuarto al noveno semestre, que proporciona a los estudiantes los conocimientos y habilidades prácticas, requiriendo materiales educativos que coadyuven a el entendimiento de los avances en las tecnologías de energías renovables y permitan la vinculación práctica con los componentes del módulo Manejo de Energía. Siendo el Laboratorio y Taller de Proyectos la convergencia de los componentes del módulo, se requiere una aplicación de los conocimientos y habilidades que se van adquiriendo paulatinamente durante el sexto semestre, se recomienda que los proyectos a desarrollar durante este ciclo escolar consideren los contenidos y la secuencia docente en la impartición de los contenidos semestrales de cada asignatura perteneciente a este módulo, pero que se aplique en forma sustancial y en una proporción atingente, los contenidos que definen el contexto de este módulo. Es importante que se desarrollen proyectos que involucren fuentes renovables de energía: solar, biomasa, eólica, hidráulica, maremotriz y nuclear. En este proyecto se construirán los modelos matemáticos que describan el comportamiento termodinámico de los captadores térmicos solares. A partir de la simulación de estos modelos en MatLab, se contruirán los prototipos de colectores térmicos solares de placa plana, utilizando materiales metálicos y poliméricos y formulaciones absortivas-emisivas optimizadas, desarrolladas en este contexto y que tengan un costo y eficiencias térmicas globales competitivas en el mercado nacional. Finalmente, se validarán los modelos matemáticos optimizados que permitan el diseño y descripción de las principales variables que determinan el comportamiento térmico y la eficiencia global del sistema de captación térmica solar. Además, se diseñarán, validarán y publicarán los siguientes protocolos de actividades prácticas de Laboratorio y Taller de Proyectos, para el módulo Manejo de Energía: a) Análisis de las principales variables que describen el comportamiento de un colector térmico solar. b) Comparación de propiedades ópticas de materiales absorbentes de radiación solar térmica, de aislantes térmicos y diatérmicos para utilizarlos en captadores térmicos solares. c) Determinación de coeficientes convectivos, radiativos y conductivos de transferencia de calor en un colector térmico solar de placa plana. d) Análisis termodinámico de un captador térmico solar de placa plana y determinación de la eficiencia térmica global del sistema. e) Validación de modelos matemáticos con prototipos de col