Estudio de un Reflector Lineal Fresnel a Través de la Minimización de Generación de Entropía y la Dinámica de Fluidos Computacional

Abstract

En los últimos años, el desarrollo e investigación de tecnologías que utilizan los recursos renovables con el fin de complementar la demanda energética han sido tema primordial para muchos investigadores en el mundo. Si bien existen diversas fuentes de energías limpias, el uso de la radiación solar se ha posicionado como uno de los recursos más importantes. En este sentido, el uso de dispositivos de captación de la radiación solar para su posterior transformación en energía térmica es un tema que ha tenido un gran auge en la investigación de tecnologías solares. El presente trabajo se enfoca en el análisis y posterior optimización de un concentrador solar conocido como Reflector Lineal Fresnel (LFR) enfocado en la producción de calor de proceso de mediana temperatura. El análisis del LFR se realizó en términos térmicos, radiativos, así como en la obtención de la tasa de generación de entropía del dispositivo, este último utilizando una función definida por el usuario (UDF), todo ello a través de la herramienta de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), así como un prototipo LFR como base de estudio. El proceso de optimización se llevó a cabo mediante la aplicación del método de Programación Evolutiva. Dicho método es basado en los algoritmos evolutivos, donde cada individuo (geometría) del LFR es sometido a un proceso de mutación con el fin de calcular la aptitud entre padres e hijos y así poder seleccionar los mejores elementos. La aptitud de cada individuo del LFR es medida a través de una función fitness que toma en cuenta la maximización del flujo de radiación absorbida en el tubo receptor, así como la minimización de la tasa de generación de entropía. Cada individuo del LFR fue construido en base a ecuaciones de diseño que permiten conocer la distancia entre cada espejo, su respectivo ángulo de inclinación, así como la apertura correcta del concentrador secundario. Así mismo, para la solución del modelo numérico, se toman en cuenta las ecuaciones gobernantes que son resueltas en condiciones de estado estable, flujo laminar y propiedades del aire variables en función de la temperatura. Los resultados numéricos arrojaron una buena concordancia en comparación con los resultados experimentales obtenidos del prototipo LFR, por lo que el modelo numérico es apropiado para la representación y evaluación del rendimiento real de un LFR. Además, el análisis al prototipo LFR arroja resultados relevantes como lo son: la distribución del flujo de radiación absorbida, la radiación incidente, gradientes de calor, velocidades del aire, así como la tasa de generación de entropía tanto de manera global como de manera local. El proceso de optimización tuvo una convergencia en la séptima generación de donde se obtuvo el individuo NN, el cual cumple enteramente con la maximización del flujo de radiación absorbida en el tubo receptor, junto con una minimización de la tasa de generación de entropía en el dispositivo. Los resultados obtenidos del individuo NN fueron comparados con el prototipo LFR obteniendo un aumento del 16.4% y del 23.8% en cuanto a la eficiencia térmica y la eficiencia exergética respectivamente. Así mismo, el individuo NN presenta un incremento del 2.48% en cuanto al flujo promedio de radiación absorbida en el tubo receptor, así como una disminución del 20% para la tasa de generación de entropía. En términos de la tasa de generación de entropía local, el individuo NN muestra una disminución del 14.6%, 60% y 36.8% debido a la fricción de fluido, transferencia de calor y radiación respectivamente.