Validación del modelo de comportamiento térmico de concentradores solares de canal parabólico

Abstract

El desarrollo de tecnología para el aprovechamiento de la energía solar en todas sus manifestaciones: solar térmica y fotovoltaica, eólica, hidráulica, biomasa y oceánica, dirige los proyectos de investigación y desarrollo sustentable en los países desarrollados y en desarrollo. En México, se tiene un enorme potencial en todas estas formas de energía renovable. En Particular, la disponibilidad de una irradiancia solar promedio anual de 5-6 kWh/m2, por nuestra ubicación dentro del cinturón solar, proporciona una oportunidad de desarrollo de tecnología propia, ya sea para calentamiento de agua o de corrientes de proceso industriales, la producción de vapor de agua y otros usos diversos. La comprensión de los fundamentos termodinámicos y físicos de los dispositivos utilizados para la concentración de la energía solar, particularmente los colectores cilindroparabólicos, es fundamental para que el futuro ingeniero químico, pueda optimizar y reducir el costo de fabricación de estos dispositivos, sustituyendo algunos materiales utilizados actualmente por otros disponibles en nuestro país así como procurar eficiencias térmicas globales que suministren la carga térmica requerida para usos sanitarios o industriales. En este contexto, se propone un procedimiento de enseñanza de la línea curricular Laboratorio y Taller de Proyectos, del 4º al 9º semestres de la carrera de Ingeniería Química (IQ). El Plan de estudios de la Carrera de IQ de la FES ZARAGOZA contiene la Línea Curricular de Laboratorio y Taller de Proyectos, del cuarto al noveno semestre, que proporciona al estudiante los conocimientos, aptitudes, actitudes y habilidades prácticas, pero requiere de materiales educativos y actividades experimentales a nivel prototipo piloto, que coadyuven al entendimiento de las tecnología emergentes para el aprovechamiento de las energías renovables y permitan la vinculación con los componentes teóricos de cada módulo. 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 esta etapa 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 apliquen 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, mare motriz y nuclear.

En este proyecto se construirán los modelos matemáticos que describan el comportamiento termodinámico de los concentradores térmicos solares de canal parabólico, en estado estable y en régimen transiente. A partir de la simulación de estos modelos en MatLab, se construirá el prototipo de sistema de concentración cilindro parabólico para producir vapor saturado de agua, utilizando materiales metálicos y poliméricos y formulaciones absortivas-emisivas optimizadas, desarrolladas para este fin.

Finalmente, se validarán los modelos matemáticos optimizados que permitan: el diseño y el análisis de estos dispositivos y la determinación de las variables que describen el comportamiento térmico y la eficiencia global del sistema de concentración térmica solar. Para conseguir esta meta, se diseñarán y validarán los siguientes protocolos de actividades prácticas de Laboratorio y Taller de Proyectos, para el módulo Manejo de Energía:

a) Determinación de la eficiencia térmica y global de un concentrador térmico solar de canal parabólico.

b) Análisis térmico de un concentrador de canal parabólico en estado estable.

c) Validación experimental de un modelo transiente del comportamiento térmico de un concentrador solar de canal parabólico d) Análisis del proceso de producción de vapor saturado en un concentrador solar de canal parabólico.

Paralelamente, se organizarán e impartirán cursos y talleres para la actualización de profesores en estos tópicos. Se elaborarán materiales didácticos como manuales de operación de los dispositivos, software para simulación de estos procesos de transferencia de calor en MatLab. Se elaborará un libro sobre diseño y análisis térmico de concentradores solares de canal parabólico, Sistema de concentración solar de canal parabólico. Con base en la misión y visión 2014-2018 de la FES ZARAGOZA, este proyecto procurará contribuir a la formación de recursos humanos de calidad en el área de Ingeniería química, con habilidades aptitudes, actitudes y capacidades para la comprensión, investigación y análisis para la solución de problemas relacionados con los sistemas de concentración solar