En recientes años se han propuesto el uso de los sistemas de Concentración Fotovoltaica (CPV) con la idea básica de enfocar la luz del sol sobre un área más pequeña reduciendo así la cantidad de material empleado en la conversión fotovoltaica. Actualmente con la intención de utilizar la energía térmica producida por efecto de la concentración, se han diseñado sistemas híbridos térmico-fotovoltaico con concentración (CPVT) que al igual que los sistemas convencionales térmicos hacen pasar por el interior de un conducto un fluido que absorbe el calor derivado del aumento de la temperatura en las celdas. La disponibilidad termodinámica del fluido puede ser entonces aprovechada en otras aplicaciones. Para un correcto dimensionamiento y para encontrar las condiciones óptimas de operación del receptor en un sistema de CPTV se debe realizar un estudio tanto de la dinámica del fluido al interior del ducto como de la transferencia de calor hacia el fluido. Sin embargo, uno de los principales problemas está relacionado con el análisis de la transferencia radiativa, ya que es necesario por un lado conocer las distribuciones de flujo radiativo y por otro lado determinar las propiedades radiativas de los cuerpos que participan en el intercambio de energía. En este proyecto se propone diseñar y construir el receptor de un concentrador Fresnel lineal para conformar un sistema híbrido térmico-fotovoltaico con concentración (CPVT) y diseñar y construir un radiómetro como instrumento de medición de la potencia radiativa para facilitar el diseño del receptor del propio CPVT. De esta manera será posible caracterizar y optimizar los diseños más adecuados para la captación solar.

En la actualidad los CPVT son una alternativa tecnológica de bajo impacto ambiental, bajo costo nivelado de operación y versatilidad en la conversión tanto térmica como radiativa que permite atender los requerimientos energéticos de calor y generación de potencia eléctrica. Sin embargo, para la implementación a gran escala de esta tecnología se requiere la reducción del costo de producción, mejoramiento del rendimiento y de la disponibilidad termodinámica, el desarrollo de aplicaciones específicas en la industria y la reducción del riesgo financiero. Resultados esperados 1. Infraestructura necesaria para el diseño y modelación del receptor del sistema CPVT-Fresnel 2. Infraestructura para caracterizar y evaluar el receptor del sistema CPVT-Fresnel de manera óptica, térmica e hidráulica. 3. Diseño y construcción de un receptor de alto rendimiento del sistema CPVT-Fresnel. 4. Diseño y construcción de un radiómetro óptico con la capacidad para determinar con precisión mejor que el 1% la potencia radiante de fuentes radiativas a muy alta temperatura entre las cuales se puede incluir al Sol. 5. Formación de recursos humanos de alto nivel: Un doctor en ingeniería y un maestro en ingeniería. 6. Divulgación y difusión de los resultados en diferentes medios, con al menos dos artículos internacionales indizados en el SCI. 7. Solicitud de dos patentes, una relacionada al receptor del sistema CPVT-Fresnel y otra al radiómetro mejorado. Formación de recursos humanos Uno de los objetivos fundamentales es la formación de recursos humanos de alto nivel especializados en las aplicaciones térmicas solares. Se llevará a cabo la formación de al menos dos estudiantes, uno doctorado y otro de maestría. Áreas de impacto: Impacto científico. En los sistemas CPVT se realizan diferentes estudios que buscan generar conocimiento en ciencia aplicada y desarrollo tecnológico tales como: • Diseño del receptor del sistema CPVT-Fresnel en su configuración geométrica, estructural y factibilidad operativa, ya que resulta imprescindible para el desarrollo de esta tecnología. • Ciencia e Ingeniería de Materiales donde se estudia el comportamiento térmico, mecánico y óptico de los materiales que conforman el receptor del sistema CPVT-Fresnel. Los estudios teóricos y experimentales permiten proponer mejoras a los materiales utilizados, así como definir aquellos que son técnica y económicamente viables. • Estudios teóricos y experimentales de transferencia de energía. Para analizar el comportamiento del receptor del sistema CPVT-Fresnel desde el punto de vista térmico es necesario considerar los procesos de transferencia de calor por Radiación, Convección, Conducción y posible Cambio de Fase. El comportamiento térmico juega un papel muy importante en el comportamiento global del sistema y sobre todo en su eficiencia. • Estudios teóricos y experimentales en mecánica de fluidos. En el desarrollo del receptor del sistema CPVT-Fresnel son necesarios para determinar las condiciones óptimas de operación del flujo de fluido que ocurre en el propio receptor. Actualmente existen estudios incipientes en las condiciones de operación óptimas. Establecer el comportamiento detallado en mecánica de fluidos en el receptor del sistema CPVT-Fresnel impactará en el comportamiento del sistema y en su eficiencia. • Tanto en el estudio térmico como en el de mecánica de fluidos son necesarios para la creación de formulaciones matemáticas que permitan modelar el comportamiento del sistema de manera integral y de esa manera lograr su desarrollo tecnológico. Impacto tecnológico: El desarrollo de la tecnología de CPVT es el principal objetivo de este proyecto. Se busca crear innovaciones técnicas relacionadas con el diseño, construcción y operación de sistemas de concentración solar para la generación de calor y de energía eléctrica. El impacto tecnológico esperado es: • Creación de la infraestructura para el diseño del receptor del sistema CPVT-Fresnel. • Creación de la infraestructura para evaluar el sistema CPVT-Fresnel. • Desarrollo de metodologías para el diseño, la construcción y la operación del sistema CPVT Fresnel. • Desarrollo de un prototipo del sistema CPVT-Fresnel encaminado a la transferencia tecnológica. • Desarrollo de un prototipo de radiómetro óptico encaminado a la transferencia tecnológica. Impacto social: El uso de fuentes renovables de energía permite una convivencia sostenible con el entorno, ya que este tipo de tecnologías reduce el impacto ambiental adverso que se tiene presente en los sistemas convencionales empleados en la obtención de calor y generación eléctrica. Es claro que la reducción de contaminantes impacta de manera directa en la disminución de enfermedades en vías respiratorias al reducirse los gases de la combustión, así como en la disminución de enfermedades relacionadas con agentes alérgenos y tóxicos productos de la combustión de hidrocarburos en sistemas convencionales. Impacto económico: Si bien el costo de inversión de los sistemas de fuentes renovables de energía es alto comparado con los costos de sistemas convencionales, la inversión se amortiza al paso del tiempo mediante el ahorro de combustible ya que en los sistemas de fuentes renovables el energético primario no tiene un costo asociado. Así, el uso de fuentes renovables de energía como la solar tienen un impacto económico favorable pues con el paso del tiempo los principales costos asociados son sólo la operación y mantenimiento. Es claro que el uso de tecnologías de energías renovables ayuda a la diversificación energética y cuando la tecnología es desarrollada y apropiada disminuye la dependencia tecnológica ante otros países. Impacto ambiental: Como se sabe, los gases producto de la combustión de los hidrocarburos provocan efecto invernadero en la atmósfera terrestre. La innovación tecnológica propuesta ofrece una alternativa tecnológica para la producción de calor y generación eléctrica evitando el uso de carburantes como el gas, diesel o combustóleo que son comúnmente utilizados en sistemas convencionales. Se ayuda también a mitigar las emisiones de CO, CO2, NOx y Azufre a la atmósfera.