Integración de desarrollos en un prototipo termosolar, diseño de los sistemas de control, montaje general y detallado del prototipo, verificación y puesta en marcha = Integration of developments in a solar thermal prototype, control systems design, general assembly, verification and start-up procedure

Cano Nogueras, Javier (2021). Integración de desarrollos en un prototipo termosolar, diseño de los sistemas de control, montaje general y detallado del prototipo, verificación y puesta en marcha = Integration of developments in a solar thermal prototype, control systems design, general assembly, verification and start-up procedure. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69146.

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Title: Integración de desarrollos en un prototipo termosolar, diseño de los sistemas de control, montaje general y detallado del prototipo, verificación y puesta en marcha = Integration of developments in a solar thermal prototype, control systems design, general assembly, verification and start-up procedure
Author/s:
  • Cano Nogueras, Javier
Contributor/s:
  • Muñoz Antón, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El avance que aporta esta Tesis se ubica en el paso tecnológico que va desde una concepción científica teórica de una nueva familia de colectores solares, hasta un prototipo industrializable, incluyendo la competitividad de coste como distintivo industrial. En ese paso tecnológico se han habilitado innovaciones drásticas, como el uso de espejos planos combados por momentos flectores aplicados en sus extremos, lo que a su vez ha exigido la solución de tecnologías de detalle, por ejemplo, para el posicionamiento de los espejos, y en definitiva se ha puesto en operación una línea de integración coherente de tecnologías, que a su vez permite acercarse a soluciones óptimas. Reloj de Sol o Sundial por tanto es un prototipo preindustrial y una plataforma experimental de prueba de un nuevo modelo de planta termosolar. La base del prototipo se fundamenta en los trabajos previos realizados por el Grupo de Investigaciones “Modelización de Sistemas Termoenergéticos” [1], GIT de la UPM en torno a una nueva configuración de planta termosolar de concentración y a una serie de patentes concedidas y en tramitación en relación con dichas investigaciones. El argumento o hilo conductor de esta tesis se centra en la integración coherente de tecnologías que, tal y como se presenta en el capítulo de metodología sirve de guía y criterio para la elección de los distintos elementos que integran la plataforma. La construcción del prototipo, reloj de sol, requiere la integración coherente de numerosas disciplinas y tecnologías, tan diversas como pueden ser la mecánica, termodinámica, programación, el diseño 3D, electrónica, fabricación, óptica, geometría y control entre otras muchas que son necesarias para acercarse al rendimiento térmico esperado. El desarrollo de este trabajo aborda los aspectos desde el estudio teórico, cálculos, diseño, configuración o la construcción hasta la realización de los ensayos para validar y comprobar el sistema completo construido. Todos los trabajos han sido ejecutados de forma personal desde la solicitud ante el ayuntamiento de los permisos de construcción, pasando por los cálculos, diseño de piezas, fabricación de piezas, montaje de estructuras, selección de componentes hasta el desarrollo de un sistema de adquisición y registro de datos de bajo coste para la realización de los ensayos, y la realización y estudio de los resultados de estos ensayos. Como conclusión del desarrollo y principales resultados del trabajo hay que indicar que el diseño y construcción del prototipo ha conseguido alcanzar el máximo grado de satisfacción validando y comprobando el funcionamiento íntegro de la plataforma, siendo los principales logros alcanzados: • Reducción de costes y pesos respecto a soluciones actuales como la concentración con sistema cilindro parabólicos gracias al nuevo diseño de la estructura base, el diseño de un sistema de doblado de espejos in situ y el uso de espejos planos económicos. • Estructura robusta y fiable que ha soportado temporales de lluvia, nieve y granizo con fuertes vientos sin fallos. • Validación del sistema completo. Mediante el registro de temperatura y los distintos ensayos ejecutados se ha comprobado que los valores de temperatura e índice de concentración coinciden con los valores esperados para el diseño y configuración alcanzándose en el receptor temperaturas superiores a los 300 °C e índice de concentración próximos a 40. Asimismo, se han detectado las vías abiertas que deja este trabajo, principalmente relacionadas con un mayor aprovechamiento del sistema aquí desarrollado y descrito aumentando la disponibilidad del sistema mediante la mejora de la estructura con un segundo grado de libertad en el seguimiento solar, Reloj de Sol 2. ----------ABSTRACT---------- Advancements provided by this Thesis belong to the technological step that goes from a theoretical scientific concept of a new family of solar collectors, to an industrial prototype, including cost competitiveness as an industrial feature. In this technological step, drastic innovations have been enabled, such as the use of flat mirrors bent by bending moments applied at their ends. This innovation has required the solution of a number of detailed technologies, from positioning of the mirrors to aiming of the concentrator. A line of coherent integration of technologies has been put into operation, what allows us to approach optimal solutions in energy capture efficiency and economy. The Thesis starts from the Sundial concept, which is a pre-industrial prototype and an experimental platform for testing a new model of solar thermal plant. The basis of the prototype is the previous work carried out by the Research Group “Modelización de Sistemas Termoenergéticos” [1], GIT of the UPM on a new configuration of concentrated solar thermal plant and a series of patents granted and pending in connection with such investigations. The argument or main thread of this thesis focuses on the coherent integration of technologies that, as presented in the methodology chapter, serves as a guide and criterion for the choice of the different elements that are part of the platform. The construction of the prototype, Sundial, requires the coherent integration of numerous disciplines and technologies, as different as mechanics, thermodynamics, programming, 3D design, electronics, manufacturing, optics, geometry, and control, among many others that are necessary. to get closer to the expected thermal performance. The development of this work includes such diverse topics from the theoretical study, calculations, design, configuration, and execution of tests to validate and verify the complete system built. All the works have been personally executed from the application to the city council for the construction permits, through the calculations, design of parts, manufacture of parts, assembly of structures, selection of components to the development of a low-cost data acquisition system and data recording for analyzed and validation. As a conclusion of the development and main results of the work, it should be noted that the design and construction of the prototype has achieved the maximum degree of satisfaction by validating and verifying the full operation of the platform, the main achievements being: • Cost and weight reduction compared to current solutions, such as parabolic trough concentration, thanks to the new design of the base structure, the design of an on-site mirror bending system to convert inexpensive flat mirrors into close to parabolic ones. • Robust and reliable structure that has withstood rain, snow, and hailstorms with strong winds without failures. • Validation of the complete system. By recording the temperature and the different tests carried out, it has been verified that the temperature values and concentration index coincide with the expected values for the design and configuration, reaching temperatures higher than 300ºC in the receiver and concentration index close to 40. Likewise, the research paths left by this work are mainly aimed at achieving a higher performance of the system developed and described here, increasing the availability of the system by improving the structure with a second degree of freedom in solar tracking. Such a new task will be the follow-up of this Thesis, that has been already named Sundial 2.

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Item ID: 69146
DC Identifier: https://oa.upm.es/69146/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69146
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69146
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 24 Jan 2022 08:23
Last Modified: 24 Jan 2022 08:23
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