Presentado: Dr. Guillermo Soriano Profesor FIMCP - ESPOL

Director CERA – Lab.FREE

La Carrera Solar Atacama (CSA), es la única competencia de prototipos de vehículos solares fotovoltaicos que se realiza en Latinoamérica. Esta se lleva a cabo en Chile, en el inhóspito Desierto de Atacama, en el cual las condiciones del clima son extremas.

El recorrido es de 1060 Km a través de este Desierto.

Todos los vehículo que obtengan la potencia para su desplazamiento, a partir de las energías:

- Solar, la cual será captada a través de celdas solares fotovoltaicas y almacenada en acumuladores.

- Humana, a través de sistemas mecánicos (pedales)

Los organizadores realizan el monitoreo de los porcentajes de energías utilizados durante la competencia a partir de sistemas electrónicos de última tecnología. Por lo cual, mínimo el 50% de uso de energía para que el motor obtenga movimiento debe provenir de celdas solares caso contrario se descalificaría a los vehiculos que no cumplan este requerimiento.

La implementación de este vehículo implica diseños mecánicos y eléctricos INNOVADORES para su construcción, donde se busca principalmente: 1. Ser livianos y seguros. 2. Ser eficientes con el uso de la energía. 3. Ser los mas rápidos!!

Tramos de Competencia Día Tramos

1 Humberstone - Antofagasta

2 Antofagasta (alto) - Calama

3 Calama – Pozo Almonte (Iquique)

Los días de competencia son 3, con un circuito total de aproximadamente 1060 Km.

Los vehículos deben ser impulsados únicamente por dos fuentes de energía: energía solar (mínimo 50%), y energía humana.

El vehículo debe tener una superficie de al menos 2[m2] de celdas fotovoltaicas.

La máxima energía almacenada en la totalidad de las baterías no debe superar los 1,5 [kWh].

El peso de cada uno de los conductores oficiales debe ser de al menos 80 [kg], incluyendo la ropa de conducción.

El vehículo deberá tener un ancho de mínimo de 1,2[m] y un máximo de 1,6 [m]. La distancia mínima de entre ejes es 1,5 [m].

Los frenos deben ser de disco hidráulicos con un diámetro exterior mínimo de 200 [mm]. Frenos de llanta y de buje no están permitidos.

Los vehículos solares deben ser capaces de realizar una curva en “U” en ambas direcciones en una pista de 9 [m] de ancho.

Los vehículos deberán mantener una velocidad promedio mínima de 15 [km/h].

Estas reglas fueron tomadas de las Bases Técnicas suministradas en la Web de la competencia

Diseño y construcción del chasis del vehículo.

Entre los parámetros mas importantes tomados en cuenta para realizar el construcción, fueron: diseño de forma, selección de materiales, sistemas de transmisión por tracción humana, elementos de transmisión de potencia, sistemas de frenos, sistemas de dirección, análisis mecánico del chasis. El diseño fue realizado en el software Solidworks.

SYSTEM DESCRIPTION

Mixed propulsion Electric engine 300 Watts and crankset-cassette system

Power supply Minimum 50% solar energy and 50 % human energy (pedals)

Brakes Hydrahulics (disc-gag)

Direction four-bar linkage system

Electronic Control Microprocessors and wireless communication systems

Electric Control MPPT solar controller

Chasis Steel

Body of the vehicle Glass fiber reinforced

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Ene Feb Mar Abr Mayo Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic.

Wh

/m

2

Insolación Global Horizontal Mensual

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

ESPOL

Quito

1. Determinación de los parámetros ambientales del lugar de la competencia.

Grafica obtenida con METEONORM

Además de los tramos de la competencia, se incluyo un punto en la ESPOL (lab.FREE) y otro en Quito (Antiguo Aeropuerto)

0

5

10

15

20

25

30

Ene Feb Mar Abr Mayo Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic.

ºC

Temperatura Promedio Ambiente Mensual

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

ESPOL

Quito

Grafica obtenida con METEONORM

Además de los tramos de la competencia, se incluyo un punto en la ESPOL (lab.FREE) y otro en Quito (Antiguo Aeropuerto)

0

5

10

15

20

25

Ene

Feb

Mar

Abr

Mayo

Jun

Jul

Ago

Sep

t

Oct

Nov

Dic

.

ºC

Temperatura Minima Mensual

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

ESPOL

Quito

0

5

10

15

20

25

30

35

Ene

Feb

Mar

Abr

Mayo

Jun

Jul

Ago

Sep

t

Oct

Nov

Dic

.

ºC

Temperatura Máxima Mensual

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

ESPOL

Quito

Graficas obtenidas con METEONORM

Todos los datos meteorológicos del lugar de la competencia obtenidos mediante el uso de la base de datos generada por Meteonorm serán cargados al software PVSyst para el respectivo análisis fotovoltaico – eléctrico de este sitio.

2. Determinación del sistema fotovoltaico - eléctrico.

Ingreso de las características de las baterías y celdas solares a utilizar en el prototipo. Se escogió la batería Exide Classic de 12V 37A existente en la base de datos de PVSyst y la información técnica de las celdas solares Bosch fueron ingresadas ya que no existía en este software .

Este es uno de los escenarios que se presenta para el funcionamiento de un motor de 350W durante la competencia. Se utilizará el motor a un consumo de 200W por cuatro horas durante el primer día de participación.

Arreglo de las celdas solares en el área determinada por los organizadores.

Resultados análisis software PVSyst

Durante el primer día de competencia, durante las cuatro horas de funcionamiento del motor el voltaje promedio de batería será de 40.29V, la corriente de carga de 18,80A y la descarga e 6.16A, lo cual nos garantiza un funcionamiento óptimo de la batería y motor.

Una vez finalizado el primer día de competencia vamos a tener un estado de carga en la batería del 98%, lo cual nos permitirá partir en el segundo día con las baterías cargadas.

Se obtendrá una perdida de energía de aproximadamente 800Wh/Día (factor de seguridad para operación), lo cual se dará en el tiempo que se utilicen los pedales con las baterías cargadas.

De acuerdo a la ubicación del lugar y los parámetros ambientales, 2.3 kWh/Día será la cantidad de energía incidente sobre el arreglo solar.

3. Diseño preliminar forma de la carrocería del vehículo.

Entre los parámetros mas importantes tomados en cuenta para realizar el diseño de la carrocería fueron: estudio aerodinámico (herramienta para calculo fuerza de arrastre para vehículo), diseño de forma y selección de materiales. Las graficas fueron generadas por el software Solidworks.

Obtener parámetros de funcionamiento reales de vehículo + sistema eléctrico.

Análisis de nuevos escenarios funcionamiento del vehículo.

Dimensionamiento final de sistema fotovoltaico. Análisis de carrocería usando CFD – uso de Fluent y

CFX-.

Preguntas

Noveles Fluidos Transferencia de

Calor: Aplicaciones en Energia Solar

Transferencia de calor a través de un fluido en un régimen laminar o turbulento, así como en procesos que requieren cambio de fase se encuentran en el día a día.

Mejora en estos procesos tendrían un impacto potencial en siguientes sectores: ◦ Transporte. ◦ Electrónica. ◦ Energía (generación eléctrica, energías alternativas). ◦ Construcción (sistemas HVAC). ◦ Medicina. ◦ Alimentos. ◦ Manufactura.

Sistemas de transferencia de calor mas pequeños y eficientes con menor costo de capitales

Radiación Solar

Intercambiador de Calor Propiedades criticas

fluido de transferencia de calor: α, k, µ, Cp

Cambio de propiedades permitiria diseño noveles colectores solares.

Nanofluidos término concebido en Argonne National Laboratory por Choi (1999) → suspensiones coloidales con partículas en rango (1-100 nm)

Partículas: Metales, Óxidos Metálicos, SWCNT, MWCNT

Fluido Base : Agua, glicol etileno, Aceite

http://web.mit.edu/nanoengineering/research/nanofluids.shtml

Fabricación de Nanofluidos

Técnica de dos pasos

Síntesis Nanoparticulas

Dispersión en Fluido base

Técnica de un paso

Síntesis + Dispersión en fluido base

Problemas: Aglomeración

Problemas: Escalamiento de Proceso Costo Consumo energia

MPCM : Se usan microcapsulas de material que cambia de fase para obtener un incremento de la capacidad de almacenar energia termica a un diferencial de temperatura constante.

Material mas usado son las parafinas (Alkanes)

De acuerdo a Alvarado (Thermal Performance of Microencapsulated Phase Change Material – PhD Thesis 2004) Se puede usar 75% menos de flujo volumetrico (400000 lpm a 98000 lpm) usando suspensiones al 20 % con un diferencial de temperatura de 5F El diametro de tuberia se disminuira de 30” a 15”

uso de noveles fluidos de transferencia de calor como nanofluidos y suspensiones con micro cápsulas de PCM (Phase Change Material) en aplicaciones solares térmicas y solares termoeléctricas. Se analizan el impacto de propiedades como conductividad térmica, viscosidad, Calor especifico, transmitividad, absortividad pueden tener en estas aplicaciones.

Figuras tomadas de “Using Nanofluids to enhance the operation of Solar Energy Systems” NSTI-Nanotech, Vol. 2, 2011

Preparacion de Nanofluidos

Propiedades Opticas en funcion de longitud de onda.

La investigación se realizará utilizando dos muestras comerciales de microcapsulas MPCM 56D y MPCM 37 de Microtek ltd.

En futuro se sintetizaran microcapsulas siguiendo: ‘Jet impingement and spray cooling using slurry of nanoencapsulated phase change materials’ Grupo Dr. Chow (2011)

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Propiedades Típicas

Apariencia Color Blanco

Forma 100% solidos (polvo seco)

Composición de capsula 85 – 90 % (% en peso) PCM

10 – 15 (% en peso) recubrimiento polímero

Material núcleo Parafina

Tamaño de la partícula (promedio) 15 – 25 micrón

Punto de fusión 56°C (133°F)

Calor de fusión 160 – 180 J/g

Gravedad Específica 0.9

Estabilidad de la temperatura Extremadamente estable - menos del 1% de

fuga cuando se calienta hasta 250°C

Ciclismo térmico Múltiple

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Propiedades Típicas

Apariencia Color Blanco

Forma 70% solidos, 30% agua

Composición de capsula 85-90% wt.% PCM

10-15 wt.% recubrimiento de polímero

Material núcleo Parafina

Tamaño de la partícula (promedio) 17 – 20 micrón

Punto de fusión 37ºC (99ºF)

Calor de fusión 190 - 200 J/g

Gravedad Específica 0.9

Estabilidad de la temperatura Extremadamente estable - menos del 1% de

fuga cuando se calienta hasta 250°C

Ciclismo térmico Múltiple

[1] microtek laboratorios, inc

28

MPCM 56D: Polvo Seco

La hoja técnica del MPCM 56D indica que el tamaño de partícula de las microcápsulas está comprendido en el rango 15 - 25 micrón.

El valor modal del diámetro de partícula es aproximadamente 55.720 μm.

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MPCM 56D: Muestra húmeda

La hoja técnica del MPCM 37 indica que el tamaño de partícula de las microcápsulas está comprendido en el rango 17 - 20 micrón.

El valor modal del diámetro de partícula es aproximadamente 29.602 μm.

30

Uso de espectrofotometro Genesys 10s

Muestra MPCM 56D, a solucion 0.1 M

Distribución de tamaño de partículas es muy amplio.

Absortibidad esta ‘skewed’ hacia el rango ultravioleta, congruente con Otanicar.

Es necesario obtener una distribucion de tamaño de particulas mas uniformes para inferir dependencia de absortividad con diametro promedio de capsula.

Obtener caracterizacion completa de muestras Microtek con SEM y Malvern Mastersizer.

Obtener curvas de absortividad para diferentes concentraciones para las dos muestras.

Sintetizar microcapsulas siguiendo procedimiento de Chow.

Preguntas