La presente propuesta tiene como objetivo fundamental estudiar teóricamente el diseño térmico de dispositivos usados para el aprovechamiento de la energía solar, poniendo especial énfasis en la optimización, la adaptación y la mínima generación de entropía en estos sistemas. De esta manera, la idea principal del trabajo propuesto -que persigue la mejora en el aprovechamiento de la energía solar-, gira entorno a dos vertientes principales de gran actualidad: a) la producción solar eficiente del hidrógeno a partir del gas metano y b) la optimización termodinámica en colectores solares planos; utilizando en ambos casos las técnicas matemáticas modernas para optimizar sistemas con un número grande de variables. a) En la actualidad para llevar a cabo la producción de hidrógeno mediante el empleo de la energía solar se emplean sistemas de concentración solar capaces de alcanzar temperaturas lo suficientemente altas (del orden de 2000 K) que provocan la separación térmica del metano, reacción que -desde el punto de vista químico- ha sido ampliamente estudiada por el creciente interés que despierta la descomposición de hidrocarburos para la producción de hidrógeno gaseoso y exento de la producción de dióxido de carbono. Esta forma de generar hidrógeno tiene la ventaja sobre otros métodos tradicionales (como por ejemplo la reformación de metano) de ser un proceso limpio; es decir, no produce gases de invernadero ya que solo se obtiene carbono e hidrógeno como productos, permitiendo emplear a este último como un medio capaz de almacenar y transportar la energía solar, además de su utilidad como combustible limpio ya que la combustión del mismo esta libre de la producción de monóxido y bióxido de carbono. Para llevar a cabo la reacción anterior se emplean diferentes tipos de reactores que generalmente son alimentados con gas natural -como fuente principal de metano- y para lograr la descomposición ó disociación térmica del metano, se suministra la cantidad suficiente de energía mediante un arreglo de concentradores solares, evitando así la combustión directa de los combustibles. De esta manera y con la finalidad de conocer cuales son específicamente las condiciones de operación y diseño óptimos que produzcan la mayor cantidad hidrógeno a partir de la descomposición térmica del metano, en la presente propuesta se pretende utilizar el método de minimización de generación de entropía con ayuda de algoritmos genéticos. b) Por otro lado, los captadores solares planos tienen generalmente como principal objetivo calentar agua. Su uso se ha popularizado y es frecuente encontrar aplicaciones prácticas en el acondicionamiento del aire en edificios, centros habitacionales e industriales mediante el empleo de diferentes arreglos y módulos de colectores. Estos sistemas están constituidos básicamente de un cristal esmaltado, una placa absorbente sobre la que están colocados una serie de tubos de cobre conectados en forma de alambre por donde circula agua. Como es bien sabido, el calentamiento del agua se da por efectos de transferencia de calor debido a la radiación solar y convección natural. Sin embargo, en estos sistemas es muy común que los márgenes de operabilidad y rendimiento sean bajos; por lo anterior, en la presente propuesta se pretende desarrollar un nuevo enfoque para encontrar la optimización térmica del colector solar plano. Para llevar a cabo lo anterior, se utilizará extensamente la Teoría Constructal y sus principios. Esta teoría establece de manera muy resumida que la existencia de arquitecturas y estructuras en la naturaleza son consecuencia de privilegiar algún principio físico. El principio físico que se llega a utilizar depende de la naturaleza misma del problema, pero generalmente se hace uso de la conservación de la materia, de la cantidad de movimiento y de la energía. En particular, dicha teoría se aplicará a la construcción de la red más apropiada de tubos por donde circula agua (ó bien alguna otra sustancia de trabajo con propiedades físicas fácilmente moldeables, como podrían ser algunas sustancias reológicas), de tal suerte que se pueda recolectar la mayor cantidad de energía solar y tomando en cuenta el carácter transitorio del proceso de calentamiento que recibe el colector. El impacto de lo anterior se refleja en una continua adaptación geométrica y física del colector, dada la naturaleza dinámica de la captación solar. De esta manera y considerando la posibilidad de que los materiales de los tubos sean adaptables; es decir, que puedan cambiar en el tiempo sus propiedades físicas se pretende obtener el máximo desempeño térmico del colector. Para llevar a cabo lo anterior, se hará un análisis mediante las ecuaciones de conservación para la materia, la cantidad de movimiento y la energía tanto para las regiones sólidas de los colectores como aquellas regiones por donde circulan los fluidos primarios y secundarios; de tal suerte que de esta manera se generen las redes óptimas para la transferencia de calor solar hacia el fluido primario. Lo anterior y como se ha vislumbrado previamente se aplicarán métodos de inteligencia artificial como pueden ser la teoría de las redes neuronales y algoritmos genéticos, propios de esta disciplina y adecuados para la optimización térmica del colector solar. La investigación tendrá un carácter principalmente analítico y numérico, los resultados esperados son la optimización de dichos dispositivos solares mediante técnicas de optimización por medio de los métodos heurísticos y la teoría constructal. Es importante mencionar que en el proyecto participan dos estudiantes del Posgrado en Ingeniería, quiens ya se encuentran oficialmente inscritos

La principal contribución del presente proyecto consiste en el desarrollo de modelos teóricos a partir de técnicas nuevas como son el método de minimización de entropía y de la teoría constructal, con ayuda de los algoritmos genéticos, para mejorar las condiciones de operación y diseño de los dispositivos que usan energía solar, en el caso de la producción de hidrógeno en su aplicación industrial y en la naturaleza adaptativa en el caso del colector solar plano. La comprensión de estas técnicas puede servir como punto de partida para analizar su utilidad y aplicación a nuevas ramas de la ingeniería para diversificar su uso en dispositivos basados en energía limpia. Los resultados de las principales investigaciones permitirán la formación de dos doctores en Ingeniería y la publicación en revistas internacionales con estricto arbitraje.