Evaluación de diseños para una poza solar experimental: Selección de forma y dimensiones

Abstract

Una poza solar corresponde a una fuente colectora y almacenadora de energía solar, la cual puede ser utilizada para abastecer procesos de temperatura moderada. Su implementación a escala industrial presenta un alto costo de fabricación y mantención, por lo que es razonable optar por la fabricación de una poza de tipo experimental, la cual permite estudiar el desempeño y evaluar la viabilidad de la construcción de esta a escala industrial. En el presente estudio se muestra la implementación de metodologías basadas en el modelamiento computacional de fenómenos físicos relevantes para el estudio de las dimensiones laterales mínimas necesarias para el correcto funcionamiento de una poza solar experimental que, operando en el norte de Chile sirva como modelo para aquellas de escala industrial. Los objetivos específicos consisten en: recopilar información sobre diseño y operación de pozas solares. Identificar las características principales que debe cumplir un modelo experimental para que sea representativo del proceso real. Utilizar técnicas de modelación para evaluar y elegir modelos según los criterios seleccionados. Elaborar y estudiar los modelos asociados a los fenómenos en estudio. Y finalmente, utilizar los modelos para determinar las características de la poza experimental representativa. Se identifican los principales fenómenos físicos que presentan cambios significativos en el comportamiento de la poza al variar su dimensión horizontal. Entre estos fenómenos se estudian: evaporación superficial de la Zona Convectiva Superior, conducción hacia paredes laterales en la Zona No Convectiva, y convección natural en la Zona Convectiva Inferior. Los recursos usados corresponden a Ansys (Fluid-Flow Fluent) para la elaboración y puesta en marcha del modelo, y Microsoft Excel para el procesamiento de los resultados obtenidos. A partir de los modelos elaborados, se registran longitudes características asociadas a la influencia de cada uno de los fenómenos, las cuales permiten seleccionar un largo mínimo para la poza solar experimental. El ancho mínimo asociado al fenómeno de evaporación en la superficie de la Zona Convectiva Superior es de 17,7 [m] a partir de la cual dicho efecto deja de percibir cambios considerables. Para el fenómeno de conducción en la Zona No Convectiva, se determina un ancho de 15,3 [m] de influencia de los gradientes térmicos cercanos a las paredes. Para el fenómeno de convección en la Zona Convectiva Inferior, se identifica que el ancho característico de los rollos convectivos es de 2 a 3 [m]. Se observa que, independiente de la cantidad de rollos formados, se mantienen las propiedades de temperatura uniforme en su interior. El mayor de estos largos determina el ancho mínimo de la poza solar experimental, el cual corresponde a 17,7 [m].