SID 636

ABSTRACT xi

RESUMEN xii

PRÓLOGO xiii

1. MAPAS DE IRRADIACIÓN GLOBAL SOLAR EN LA REPÚBLICA MEXICANA 1 1.1 Introducción 1 1.2 Irradiación global diaria, promedio mensual 3 1.3 Irradiación difusa diaria y horaria, promedio mensual 8 1.4 Irradiación directa diaria y horaria, promedio mensual 11 1.5 Irradiancia directa en días despejados 12 Mapas 13 REFERENCIAS 26

2. DESARROLLO DE ESPEJOS PARA CONCENTRADORES SOLARES 29 2.1 Introducción 29 2.2 Concentración solar y propiedades ópticas de espejos 30

2.2.1 Tipos de espejos 32 2.3 Sustratos de vidrio 33

2.3.1 Generalidades 33 2.3.2 Vidrios sílico-cálcico-sódicos 34 2.3.3 Ataque químico de la superficie del vidrio 37 2.3.4 Curvatura del sustrato de vidrio 38

2.4 El proceso de crecimiento de una película delgada 38 2.4.1 Consecuencias estructurales del proceso de crecimiento para películas

delgadas 40 2.5 La evaporación térmica para fabricar películas delgadas 41 2.6 Uso de cañón de electrones para fabricación de espejos de primera

superficie 43 2.6.1 Características del cañón de electrones 43 2.6.2 Evaporación del aluminio y monóxido de silicio 46 2.6.3 Proceso de evaporación con cañón de electrones 46 2.6.4 Características de la película protectora 50 2.6.5 Influencia de la velocidad de evaporación del aluminio y su espesor

en la reflectividad 52

v

2.7 El proceso de la erosión iónica 53 2.7.1 Corriente directa 55 2.7.2 Radiofrecuencia 56 2.7.3 Regiones del plasma 57 2.7.4 Efecto de la temperatura del sustrato durante el proceso de erosión 59 2.7.5 Arcos producidos durante el proceso de erosión iónica 60

2.8 La erosión iónica para fabricar espejos de primera superficie 61 2.8.1 Descripción del equipo 62 2.8.2 Erosión iónica del aluminio 64 2.8.3 Erosión iónica del cuarzo (SiO2) 67 2.8.4 Dificultades surgidas en los experimentos 71 2.8.5 Método alternativo para la evaporación de aluminio 73 2.8.6 Limpieza del sustrato de vidrio 75 2.8.7 Generación de vacío y limpieza con descarga luminosa 77 2.8.8 Pruebas de intemperismo 78 2.8.9 Resultados de corrosión observados en pruebas de intemperismo 81

2.9 Armado del mosaico reflector en los concentradores 82 2.9.1 Moldes con perfil parabólico 82 2.9.2 Fabricación de los moldes 83 2.9.3 Diseño del horno para el doblado del vidrio 85 2.9.4 Doblado de vidrio 89 2.9.5 Fabricación del concentrador y montaje en la planta termosolar 92 2.9.6 Evaluación de las pérdidas de concentración 94 2.9.7 Pruebas de concentración 96 2.9.8 Funcionamiento en campo 101

REFERENCIAS 105

3. FILTROS SOLARES EMPLEADOS COMO VENTANAS PARA OBTENER CONFORT Y AHORRO DE ENERGÍA EN EDIFICACIONES 109

3.1 Introducción 109 3.1.1 La relación arquitectura-energía 110

3.2 Importancia el confort 113 3.2.1 Balance térmico en el cuerpo humano 116

3.3 Irradiancia solar 119 3.4 Ventanas como elemento de control térmico 120

3.4.1 Vidrio común 122 3.4.2 Parámetros ópticos de un cuerpo translúcido 126 3.4.3 Propiedades ópticas de un sistema vidrio-película delgada 127

vi

3.4.4 Efectos de los recubrimientos en vidrios arquitectónicos 129 3.4.5 Cromogénesis 130

3.5 Fabricación de ventanas selectivas de la radiación solar 133 3.5.1 Depósito de películas pasivas de Cu2O y CuS 134

3.6 Propiedades y comportamiento de las ventanas selectivas de la irradiancia solar 136 3.6.1 Desempeño de las películas de óxido cuproso 136 3.6.2 Ventana cobre-óxido cuproso 142 3.6.3 Ventana de bióxido de vanadio 143 3.6.4 Procedimiento de fabricación de la película de VO2 144 3.6.5 Propiedades espectrales de la ventana de VO2 145 3.6.6 Propiedades térmicas de las ventanas de Cu2O 147 3.6.7 Microscopía electrónica de barrido del Cu2O 148

3.7 Estudio de intemperismo de las ventanas con Cu2O 149 3.7.1 Corrosión 150 3.7.2 Preparación del sustrato 152 3.7.3 Pruebas de corrosión de las películas 152 3.7.4 Análisis de las muestras con espectrofotometría de infrarrojo 163

3.8 Análisis de la composición de la película Cu2O-CuS por RBS 167 3.9 Espectroscopía de fotoelectrones generados por rayos X (XPS) 168

3.9.1 Fundamentos y características generales 168 3.9.2 Discusión de resultados 169

3.10 Ahorro de energía para un departamento que incorpora las ventanas con la película Cu2O-CuS 172 3.10.1 Ecuaciones generales de balance de energía en una edificación 172 3.10.2 Balance de energía para ventanas 173 3.10.3 Simulación y ahorro de energía con ENERGY-10 175

3.11 Conclusiones 179 REFERENCIAS 181

4. ESTANQUES SOLARES: IMPERMEABILIZACIÓN Y OSCILACIONES TÉRMICAS 185 4.1 Introducción 185 4.2 Uso de arcillas como impermeabilizantes en estanques solares 186

4.2.1 Antecedentes 186 4.2.2 Tipos de revestimientos 187 4.2.3 Revestimientos minerales 193 4.2.4 Investigación experimental 207

vii

4.2.5 Conclusiones y recomendaciones 222 4.3 Movimientos oscilatorios en la capa no convectiva de un estanque solar 225

4.3.1 Antecedentes 225 4.3.2 Oscilaciones 227 4.3.3 Investigación experimental 231 4.3.4 Conclusiones y sugerencias 237

NOTACIÓN 238 REFERENCIAS 238

5. PLANTAS TERMOSOLARES: GENERACIÓN DIRECTA DE VAPOR CON CONCENTRADORES DE CANAL PARABÓLICO 245

5.1 Introducción 245 5.2 Generación directa de vapor (GDV) 247

5.2.1 Antecedentes 247 5.2.2 Ebullición 249 5.2.3 Flujo de dos fases 255 5.2.4 Inestabilidades en flujos de dos fases 258 5.2.5 Descripción del proceso de generación directa de vapor 261 5.2.6 Generación directa de vapor en la planta solar 266 5.2.7 Conclusiones de esta sección 274

5.3 Transitorios en receptores de acero y de pared bimetálica Cu-Fe, durante la generación directa de vapor 275 5.3.1 Antecedentes 275 5.3.2 Flujo estratificado en tubos horizontales 277 5.3.3 Modelo matemático 278 5.3.4 Receptor de pared bimetálica cobre-acero 284 5.3.5 Pruebas experimentales de flexión y distribución de temperaturas

en la pared del receptor 286 5.3.6 Respuesta a la flexión y distribución de temperaturas de los……

receptores de acero y de cobre-acero 289 5.3.7 Conclusiones y recomendaciones de esta sección 312

5.4 Eficiencia en producción de electricidad en una planta termosolar por medio de generación directa de vapor (GDV) 313 5.4.1 Antecedentes 313 5.4.2 Eficiencias ciclo Rankine 314 5.4.3 Eficiencia en la producción de vapor en el concentrador de canal

parabólico 316 5.4.4 Eficiencias del motor de pistones de vapor 317 5.4.5 Eficiencia en el generador de corriente alterna o alternador 319

viii

5.4.6 Eficiencia global de la planta (eficiencia de conversión de la energía solar en electricidad) 320

5.4.7 Desarrollo experimental 320 5.4.8 Análisis de resultados 326 5.4.9 Conclusiones y recomendaciones de esta sección 331

5.5 Sistemas de generación solar eléctrica con canal parabólico (plantas SEGS) 332 5.5.1 Antecedentes 332 5.5.2 Plantas SEGS con canal parabólico 334 5.5.3 DISS (direct solar steam) 340 5.5.4 Financiamiento para tecnologías de plantas termosolares con canal

parabólico 344 5.5.5 Conclusiones de esta sección 346

5.6 Conclusiones finales 347 NOTACIÓN 348 REFERENCIAS 349

6. DICCIONARIO TÉCNICO DE TÉRMINOS UTILIZADOS EN ENERGÍA SOLAR 353

Introducción 353 A 355 B 358 C 359 Ch, D 369 E 372 F 378 G 382 H 383 I 385 J, L 388 M 390 N 392 O 393 P 395 Q 398 R 399

ix

S 403 T 408 U 412 V 413 W, Z 414 BIBLIOGRAFÍA 415

RECONOCIMIENTOS 419

APÉNDICE. PÁGINAS EN INTERNET RELACIONADAS CON ENERGÍA SOLAR 423

x

ABSTRACT

This book presents progress made over the last decade in solar energy related research: 1. The statistical of the maps of global solar irradiation for the country’s important

cities and towns is extended to 10 years, and in the case of Mexico City to 20 years.

2. It describes how a prototype of a parabolic trough with first surface aluminium mirrors was obtained.

3. It explains how two solar filters, both working efficiently in the visible spectrum as well as in the near infrared spectrum, were obtained: one passive type with Cu2O and CuS, and one active type, made of VO2, and sensitive to temperature changes.

4. Several options for lining solar ponds with clays, which have advantages over synthetic materials, are discussed as well as an update of the aspect of thermal oscillations, which are probably the reason for erosion of the non-convective layer.

5. It discusses advances in direct steam generation using two-phase stratified flows, which are necessary for low power generation, from 1 kW to 60 kW. The behavior of a Cu-Fe bimetallic tube as an absorber that reduces transient thermal stress caused by two-phase stratified flows is also discussed.

6. Finally, it includes a dictionary of terms used in solar energy.

xi

RESUMEN

Este libro presenta los avances de la última década en investigaciones relacionadas con energía solar:

1. Amplía en diez años la estadística de los mapas de irradiación solar global para ciudades y poblaciones importantes del país, y en veinte años para el DF.

2. Describe la obtención de un prototipo de canal parabólico con espejos solares de aluminio de primera superficie.

3. Explica cómo se obtuvieron dos filtros solares, eficientes tanto en el espectro visible como en el infrarrojo cercano: uno pasivo de Cu2O y CuS; otro de tipo activo, de VO2, sensible a cambios de temperatura.

4. Presenta varias opciones para impermeabilizar estanques solares con arcillas, analizando las ventajas de éstas sobre los impermeabilizantes sintéticos, además de una actualización en el aspecto de las oscilaciones térmicas, que son probables responsables de la erosión de la capa no convectiva.

5. Expone los avances en la generación directa de vapor con flujos estratificados en dos fases, los cuales son necesarios para la generación de energía a bajas potencias, desde 1 kW hasta 60 kW, y discute con detalle el comportamiento de un tubo bimetálico Cu-Fe como absorbedor, que reduce los esfuerzos térmicos causados por transitorios con flujos estratificados en dos fases.

6. Finalmente, incluye un diccionario de términos utilizados en energía solar.

xii

PRÓLOGO Lo que fue, eso será;

lo que se hizo, eso se hará. Nada nuevo hay bajo el Sol.

Eclesiastés 1, 9

Una de las metas de esta obra es contribuir con un granito de arena a satisfacer las necesidades que tiene México. Pretende aportar conocimiento aplicable para ayudar a satisfacer una necesidad que ya resulta grave: el crecimiento sustentable del país y el mejoramiento del nivel de vida de su población.

El punto de partida es la fe en la propia capacidad para desarrollar ciencia aplicada, enfocada principalmente a la atención de problemas nacionales. Dejar de unicamente importar bienes e intentar también hacer las cosas por nuestra cuenta tiene diversos beneficios sinérgicos, como el que resulta del aprendizaje logrado durante los procesos de una investigación o de un avance tecnológico; en otras palabras, con el desarrollo de tecnología propia, al mismo tiempo que resolvemos una cuestión práctica, también generamos un mecanismo de enseñanza en el que se estimula la creatividad y se amplía el criterio del estudiante para contribuir a soluciones. Éste debe ser el principal objetivo de un centro de investigación y, obviamente, resulta más provechoso que formar exclusivamente ingenieros o técnicos. Por otro lado, se facilita el logro de empleos, ya que quien alcanza una maestría o un doctorado suele obtenerlos más fácilmente y estar más calificado para ellos; asimismo, al optar por un posgrado nacional, se evita la salida de recursos económicos y humanos del país, y quienes lo cursan adquieren la capacidad para dar respuestas óptimas y específicas, en el contexto de nuestra situación, pues sobran ejemplos donde las ideas copiadas del extranjero no sólo resultan ineficaces en nuestro entorno local, sino incluso contraproducentes.

xiii

Los recursos naturales aportan todo lo que el hombre necesita; la energía solar forma parte de ellos y es prácticamente inagotable; además, México es un país con grandes posibilidades para su explotación. El trabajo arduo y constante del investigador hace que esa riqueza potencial se transforme en capital real; de ahí que el conocimiento y avance de las diferentes tecnologías relacionadas con la solar, permita que se utilice este recurso con mayor intensidad y eficiencia en todas sus aplicaciones.

Esta obra puede considerarse como una continuación del libro Ingeniería de la Energía Solar (Almanza y Muñoz, 1994)1, por lo que lleva el mismo título, pero ahora acompañado por el número II. De hecho, la mayoría de los capítulos están directamente vinculados con sus correspondientes partes del texto anterior (irradiación solar global, estanques solares, espejos y concentradores solares, así como plantas termosolares), como se explica en sus respectivas introducciones. Al presente trabajo se incorpora un nuevo capítulo sobre el desarrollo de filtros solares para ser aplicados en ventanas, nueva línea de investigación que se viene desarrollando desde hace más de cuatro años y que tiene como finalidad hacer más confortables casas y edificios, así como ahorrar energía. Por último, se incluye un diccionario de términos utilizados en energía solar, con el fin de uniformar conceptos y definiciones relacionados con dicho tema. Aunque ya existe por lo menos un glosario en lengua española que aborda esta cuestión (Aguilar y Aguilar, 1983)2, éste sólo cuenta con una recopilación relativamente limitada, además de que algunas de sus acepciones no son del todo acordes actualmente con la literatura internacional, por lo que se consideró conveniente realizar un diccionario donde se revisan, amplían y actualizan los términos utilizados en energía solar.

A lo largo de los seis capítulos que forman esta publicación, el lector encontrará que el contenido es multidisciplinario. En cada uno de ellos intervinieron como autores o coautores becarios de licenciatura, maestría y doctorado del Instituto de Ingeniería, UNAM, cuyos trabajos de investigación quedaron plasmados como ingredientes esenciales de este texto. Estos estudiantes, por provenir de muy diversas ingenierías y especialidades: civil, eléctrica, química, mecánica y energética, le dan al libro una especie de universalidad que resulta atractiva y formativa, pues muestra que, para lograr un objetivo común, el conocimiento requiere con frecuencia traspasar fronteras entre disciplinas y, además, conseguir su integración de manera práctica y eficaz.

1 Almanza, R y Muñoz, F (1994), Ingeniería de la Energía Solar, El Colegio Nacional, México. 2 Aguilar, J y Aguilar, J M (1983), Diccionario de Energía Solar, Alhambra, Madrid, España.

xiv

En esta obra, se pretende aclarar y ampliar diversos temas y conceptos de uso frecuente y en boga, relacionados con la energía solar; éstos fueron revisados y enriquecidos por los árbitros que examinaron el material propuesto, quienes con sus acertados comentarios contribuyeron a darles mayor orden y precisión. Se enfatiza en particular el desarrollo de distintos tipos de materiales que sirven para aprovechar la energía solar, mismos que abarcan algunos de los capítulos, donde se involucraron distintas disciplinas: ciencia de materiales, fisicoquímica de arcillas, mecánica de suelos y de fluidos, química de corrosión, termodinámica y transferencia de calor.

Una vez que el lector se haya familiarizado e involucrado en el conocimiento de diferentes tecnologías que pueden aplicarse para la captación y aprovechamiento de la energía solar, se habrá cumplido con el más importante de los propósitos de este libro, pues la generación de información, así como su divulgación, son las mejores herramientas para tomar decisiones y resolver con éxito cualquier acción que se emprenda. En todo caso, en opinión de los autores, bajo el Sol aún hay mucho que descubrir, comprender y aprovechar para beneficio del ser humano y del medio que lo rodea.

Marzo, 2002

xv

1. MAPAS DE IRRADIACIÓN GLOBAL SOLAR EN LA REPÚBLICA MEXICANA

Rafael Almanza

1.1 Introducción

Una primera versión de los mapas de irradiación global diaria promedio mensual y

anual, en langleyes por día, apareció en 1975 (Almanza y López, 1975; Almanza y

López, 1978). En Almanza y Muñoz (1994) se publicó el documento de 1975 como el

cap 1 del libro Ingeniería de la Energía Solar. A la fecha (2001), se ha ampliado la

estadística de datos meteorológicos así como el número de localidades con observa-

ciones del Servicio Meteorológico Nacional (1940-1990), por lo que ha sido posible

presentar una actualización de estos mapas (figs 1.3 a 1.15) al contar con una mejor

estadística, que los hace más confiables; además, actualmente se usan las unidades del

Sistema Internacional (MJ/m2), lo cual es recomendable para evitar confusiones al

estimar irradiación solar, como ha sido captado por el autor a lo largo de varios años, ya

que la notación langleyes por día (ly/día) usada en la década de los 70 y parte de los 80

fue controvertida. Una versión preliminar de este nuevo capítulo fue publicada en 1992

por Almanza et al. Ahora se presenta una versión corregida y aumentada, ya que en

1992 aparecieron errores de imprenta, tanto en ecuaciones como en mapas. Asimismo,

se incluye la información necesaria para evaluar irradiación difusa y directa, aparte de

una explicación más explícita de algunos aspectos relacionados con la evaluación de las

irradiaciones, con el fin de aportar información más amplia, por ejemplo, en

evaluaciones de ahorro de energía en edificios, en arquitectura bioclimática, etc.

1

Aun cuando existen otros tipos de mediciones meteorológicas relacionados con la energía solar, los datos de irradiancia medidos directamente, son la mejor fuente de información para elaborar mapas climatológicos de irradiación global, y es común medir ésta en sus componentes directa y difusa, valoradas en unidades de energía por unidad de tiempo, por unidad de área sobre un plano horizontal, mediante un piranó-metro. Sin embargo, en ausencia de esta información, es factible utilizar relaciones empíricas para estimar irradiación global a partir de las horas de insolación, o de nubosidad, en cuyo caso, la aproximación puede variar diez por ciento. Otra alternativa es determinar la irradiación de un lugar particular mediante la extrapolación de datos existentes de otras localidades con latitud, topografía y climas semejantes a los de aquél.

Afortunadamente, el futuro de la evaluación de irradiancia e irradiación solar global y normal directa está en el procesamiento de las imágenes de nubosidad por medio de satélites estacionarios. Actualmente, con esta tecnología es posible lograr resoluciones de 10 a 40 km, pero pueden obtenerse en ciertos casos, principalmente en días claros, resoluciones en el intervalo de 1 a 5 km como se discute en Renné et al (1999). Generalmente, la exactitud es del 10 % cuando existe una estadística de varios años.

De acuerdo con esta misma referencia, esta tecnología ha avanzado bastante puesto que los modelos empíricos o teóricos son ya lo suficientemente confiables, y sólo algunos pueden llegar a necesitar mediciones de irradiancia, mientras que otros sólo requieren parámetros físicos bien establecidos.

En Renné et al (2000) se pueden apreciar resultados más contundentes para la República Mexicana con base en imágenes de satélite, pues se cuenta con una estadística de ocho años. En esta misma referencia se establece una correlación con los mapas aquí presentados (Almanza et al, 1992), congruentes con tal información de satélites. Ésta es una razón más por la que este capítulo se incluye en este libro, además de que se observó un corrimiento de las isohelias respecto a la primera versión.

Finalmente, se desea hacer un último comentario. La Universidad de Sevilla, España, está desarrollando un método que usa las cartulinas de un heliógrafo de Cambell-Stokes, las cuales son leídas con una cámara digital o escáner, tanto para obtener la heliofanía efectiva como la irradiancia normal directa (Silva y Ruiz, 2002).

2

1.2 Irradiación global diaria, promedio mensual

Se ha demostrado que las sumas diarias de irradiación son función de la duración de insolación para una localidad particular, siendo la relación1 entre ellas del tipo

( )( )Nn'b'a'HH C += (1.1)

donde

H irradiación global diaria promedio horizontal para el periodo dado (por ejemplo, mensual)

H’C irradiación global diaria horizontal para un día despejado del periodo en cuestión

a’, b’ constantes que relacionan la irradiación y la insolación, las cuales dependen de la localidad y el clima

n horas diarias de insolación promedio para el mismo periodo

N número máximo de horas diarias de insolación posibles, estimando que no existe obstrucción en el horizonte para el periodo en consideración.

Sin embargo, como no existen mediciones y es difícil calcular la irradiación bajo condiciones de cielo despejado, Page (1961) modificó este método para no requerir de H’C y, con base en la irradiación extraterrestre sobre una superficie horizontal, obtener la irradiación global diaria, en promedio, del periodo deseado

( )( )NnbaHH o += (1.2)

donde

oH irradiación fuera de la atmósfera para la misma localidad, promediada para el periodo en cuestión; su valor puede calcularse o deducirse de gráficas (Duffie y Beckman, 1991)

1 Esta relación se basa en un desarrollo de Angström (1924). Otros procedimientos similares han sido desarrollados

por Fritz (1951), Page (1961), Black (1954) y Sivkov (1971).

3

a, b constantes que relacionan la irradiación y la insolación; dependen de la

localidad y el clima

n, N mismo significado que en la ec 1.1.

El método general para obtener la irradiación a partir de datos de insolación consiste en

determinar a y b para una localidad donde se dispone de los dos tipos de datos:

insolación e irradiación. En el caso de México, debido a la ausencia de datos de

irradiación para las diferentes localidades, su aplicación es difícil; sin embargo, puede

utilizarse donde el clima y tipo de vegetación son conocidos. Al respecto, Lof (1966)

obtuvo las constantes a y b para diferentes localidades del mundo, aun con climatología

y flora distintas. A pesar de ello, un problema importante al aplicar estas constantes es

que México tiene regiones montañosas que causan variación sustancial de la nubosidad

entre localidades a distancias relativamente cercanas; además, existen zonas donde la

topografía y el clima cambian bruscamente.

El modelo empleado, en la literatura denominado empírico, es el desarrollado por

Reddy (1971), que obtiene la irradiación global con desviaciones menores de diez por

ciento. Fue desarrollado principalmente para la India, lo cual hace más confiable su

aplicación en México, ya que tanto la latitud como los climas existentes en ambos

países son muy semejantes.

Dicho autor, además de los datos de insolación, emplea los parámetros latitud del lugar,

longitud promedio del día y número de días lluviosos en el mes, así como humedad

relativa promedio por día. Esta información puede obtenerse para 53 localidades de la

República. En la tabla 1.1 se listan estos lugares, así como la estadística de las horas de

insolación.

Los números en la tercera columna indican el número de años con registro de horas de

insolación en el periodo 1941-1990, los restantes parámetros meteorológicos tienen una

estadística mayor.

4

TABLA 1.1 LOCALIDADES DONDE SE ESTIMÓ LA IRRADIACIÓN SOLAR (ESTADÍSTICAS ANUALES METEOROLÓGICAS DE 1941 A 1990)

Estado Ciudad Número de

estadísticas

Ags Aguascalientes 39

BC Mexicali 30

BCS La Paz San Javier

30 30

Cam Campeche 38

Chis Comitán Arriaga Tuxtla Gutiérrez San Cristóbal Tapachula

28 10 26 26 40

Chih Chihuahua 7

Coa Piedras Negras Saltillo

12 39

Col Colima Manzanillo

40 13

DF Tacubaya 50

Dgo Durango 20

Edo Méx

Toluca Chapingo

33 17

Gto Guanajuato 25

Gro Chilpancingo Acapulco

38 21

Hgo Pachuca 40

Jal Colotlán Lagos de Moreno Guadalajara

9 19 31

Mich Morelia 34

Estado Ciudad Número de estadísticas

Nay Tepic 12

NL Monterrey 36

Oax Salina Cruz Oaxaca

16 14

Pue Puebla 35

Qro Querétaro 11

QR Chetumal Cozumel

7 30

SLP Río Verde San Luis Potosí

35 9

Sin Mazatlán Culiacán

23 36

Son Hermosillo Guaymas

9 32

Tam Soto la Marina Tampico

6 9

Tlax Tlaxcala 39

Ver Tuxpan Córdoba Orizaba Jalapa Veracruz

10 24 35 40 39

Yuc Progreso Valladolid Mérida

40 10 32

Zac Zacatecas (La Bufa)

35

5

La fórmula deducida por Reddy para estimar la irradiación global total, en langleyes (1 ly = 1 cal/cm2) con datos medios mensuales, es

h

)t.)(p.(KH 201801 −+= (ly) (1.3)2

donde

K (λN + ψij cos φ)102, en ly

φ latitud del lugar, en grados

N longitud promedio del día durante el mes, la cual puede obtenerse con la ec 1.4

λ 0.2/(1 + 0.1 φ) (factor de latitud)

ψij factor de estación que depende del mes y localidad

j = 1 para tierra adentro y j = 2 para costa; i = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y corresponde a los meses de enero a diciembre con los siguientes valores, Reddy (1971):

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ψi1 1.28 1.38 1.54 1.77 2.05 2.30 2.48 2.41 2.36 1.73 1.38 1.17

ψi2 1.46 1.77 2.05 2.15 2.05 2.05 2.10 2.17 2.14 1.96 1.60 1.43

p n/N

n horas promedio de insolación por día durante el mes

t r/M

r número de días lluviosos durante el mes

M número de días en el mes

h humedad relativa media por día en el mes

2 La ec 1.3 se obtuvo tomando como referencia la Escala Radiométrica Mundial de 1956. Los nuevos valores

obtenidos usando esta misma ecuación se incrementaron en dos por ciento, para lograr valores normalizados con el último valor de la constante solar de 1 367 W/m2 recomendada por la Organización Meteorológica Mundial.

6

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 100 200 300

Día del año

Declinación (δ)23.45°

Fig 1.1 Posición del Sol a lo largo del año con respecto al plano del Ecuador, obtenida con la ecuación para δ (pág 10)

La longitud del día se obtiene de

N = ( δφtantancos52 1 −− ) (1.4)

donde δ es la declinación (posición angular del Sol en cada época del año, con respecto al plano del ecuador) deducida por Cooper (1969) (fig 1.1). La dificultad de aplicar este modelo a latitudes mayores de 30° (que para México no es relevante), se salva con la modificación propuesta por Reddy (1981) en respuesta a Goldberg (1979). Velázquez, Sámano et al (1988) comparan los diferentes modelos aplicados en México, incluyendo el de Angström que se considera universal, y relacionan los datos medidos de radiación solar con los obtenidos en los modelos aplicados a México, por medio de un análisis estadístico.

Concluyen que el modelo de Reddy aplicado a México en Almanza y López (1975, 1978) dio los mejores resultados.

Resultados

Con base en este método (Reddy, 1971), se realizaron mapeos mensuales de la República Mexicana a fin de conocer la irradiación solar global diaria promedio por

7

mes, en MJ/m2, mediante datos de horas de insolación. Además, se obtuvo el mapa de irradiación global diaria promedio por año, en las mismas unidades. Estos se muestran en las figs 1.3 a 1.15, al final del capítulo. Se observa un corrimiento de las isohelias respecto a la versión anterior (Almanza y López, 1995; Almanza y López, 1978), que puede considerarse apreciable si la precisión que se desea es del orden de 10 %. Además, los datos obtenidos fueron bastante representativos, pues existe una continuidad aceptable con la información tomada de la frontera norteamericana conseguida por Bennett (1965) y Hulstrom (1981) para los doce meses del año.

En el mapa correspondiente al promedio anual (fig 1.15), se observa que las regiones de mayor irradiación en la República son Sonora, Chihuahua y el oriente de Baja California. Las regiones mencionadas son las más propicias para ubicar instalaciones que requieran de una alta incidencia de energía solar. Existen otras dos regiones bastante definidas con más de 19.2 MJ/m2 en el año: una abarca Durango, Zacatecas, Aguascalientes, y otra, la mayor parte de Puebla, Guerrero y Oaxaca.

Asimismo, se aprecia que más de la mitad del país recibe 17 MJ/m2 diarios en el año, lo cual significa que en México el uso de la energía solar representa una fuente importante de energéticos para el presente y para el futuro. Ésta podría destinarse a calentamiento de agua, secado de granos, cocción de alimentos, refrigeración, aire acondicionado, calefacción, bombeo de agua, generación de energía eléctrica, etc.

Es importante recalcar que el porvenir de la evaluación de irradiancia e irradiación, está en el uso de imágenes de satélites en tiempo real para evaluar eficiencias instantáneas y promedios de diferentes dispositivos para las diferentes aplicaciones de la energía solar. En países como México que cuenta con este recurso en la mayor parte de su territorio, esta alternativa será muy útil en dichas aplicaciones.

1.3 Irradiación difusa diaria y horaria, promedio mensual

Irradiación difusa diaria promedio mensual

En la fig 1.2 se muestran algunos de los modelos más usados para correlacionar la irradiación global diaria con la difusa. El método de Page (1961) es el más sencillo y empleado (Kudish et al, 1981; Lewis, 1987; Vignola y McDaniels, 1984; Koromakis, 1986; Gueymard, 1986; Ma e Iqbal, 1984).

8

Fig 1.2 Diferentes modelos para evaluar la radiación difusa

El modelo utilizado por él propone una ecuación lineal (véase fig 1.2) que relaciona la irradiación difusa diaria promedio mensual con la irradiación global diaria promedio mensual, a través de la ecuación

Td K..

H

H 131001 −= (1.5)

donde

TK índice de claridad definido por

o

T

H

HK = (1.6)

oH irradiación extraterrestre diaria promedio mensual y

H irradiación global diaria promedio mensual, donde

oH = 3 600

π24 Gsc Eo

360

2 srπϖ sen φ sen δn + cos φ cos δn sen ωsr

, J/m2 (1.7)

(Duffie y Beckman, 1991)

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φ latitud, positiva al norte del ecuador, en grados

δ declinación, δ = 23.45 sen [360 (284+N)/365], en grados

N día del año, N = l, ..., 365, comenzando en enero 1

δn declinación calculada para el día más representativo del mes (véase tabla 1.2)

Gsc constante solar, 1367 W/m2

ωsr ángulo al amanecer, ωsr = cos-1(-tan φ tan δ) , en grados

Eo factor de corrección por excentricidad en la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol (Spencer, 1971).

TABLA 1.2 DECLINACIÓN CALCULADA PARA EL DÍA MÁS REPRESENTATIVO DEL MES (IQBAL, 1983)

Mes Día δn (grados)

Enero 17 -20.84 Febrero 14 -13.32 Marzo 15 - 2.40 Abril 15 + 9.46 Mayo 15 +18.78 Junio 10 +23.04 Julio 18 +21.11 Agosto 18 +13.28 Septiembre 18 + 1.97 Octubre 19 - 9.84 Noviembre 18 -19.02 Diciembre 13 -23.12

Irradiación difusa horaria promedio mensual

Para la obtención de la irradiación difusa horaria promedio mensual dI para una hora media dada por ωs se recomienda usar la siguiente ecuación (Iqbal, 1983; Collares-Pereira y Rabl, 1979)

rd =ssssss

sss

d

d s.

H

I

ωπωω

ωωπ

cos180

sen

cocos9971024 −

−= (1.8)

Por ejemplo, entre 10 y 11 a m, ωs es igual a 22.5°, cada hora equivale a 15° y, a las 12 p m, ωs = 0°, es decir ωs es la hora media del periodo en cuestión (10:30 a m),

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mientras que la irradiación global horaria promedio mensual I , se puede obtener de Collares-Pereira y Rabl, 1979.

( sd bar )HI ωcos+= (1.9)

donde

a = 0.409 +0.5016 sen (ωss – 1.047)

b = 0.6609 – 0.4767 sen (ωss – 1.047)

ωss ángulo del ocaso, en radianes = – ωsr

1.4 Irradiación directa diaria y horaria, promedio mensual

Una vez conocidas las cantidades horarias I e dI en una superficie horizontal, se puede calcular fácilmente la irradiación directa horizontal horaria, en promedio mensual, bI

2m/, JIII db −= (1.10)

Para determinar la irradiación directa normal horaria, en promedio mensual, bnI , en J/m2

zbbbn /I/II θα cossen == (1.11)

donde θz el es el ángulo cenital y α la altitud solar, calculada con la ecuación

cos θz = sen α = cos δ cos φ cos ω + sen φ sen δ (1.12)

siendo ω el ángulo horario. Se considera a partir del medio día, en ese punto vale 0°; 15°/h, negativo antes del medio día y positivo después de él.

Las unidades de bnI son J/m2, o sea que bnI representa el valor de bnG , en W/m2, integrado para una hora. bnG es la irradiancia directa normal promedio mensual a lo largo de la hora que se está integrando.

Al dividir bnI entre 3 600 s se puede obtener el valor del flujo radiante promedio de la irradiancia directa, en W/m2.

Con la información de irradiación directa normal horaria promedio mensual bnI , es posible generar una curva de irradiancia directa diaria. Generalmente, se hace esta aproximación para evaluar el comportamiento instantáneo de un concentrador solar en W/m2 a lo largo del día. Para hacer la aproximación, se divide bnI entre 3 600 s, y se

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obtiene así el valor del flujo promedio directo normal de la irradiancia en W/m2 en el punto medio de la hora donde se evaluó bnI . De esta manera, se contará con una irradiancia en lugar de una irradiación. Con estos valores de irradiancia se puede generar una curva que sería la irradiancia directa normal.

Finalmente, para obtener la irradiación directa diaria promedio mensual en una super-ficie horizontal, ésta se puede obtener como

db HHH −= (1.13)

1.5 Irradiancia directa en días despejados

Se ha demostrado que la única manera de realizar estimaciones aproximadas por lapsos cortos de tiempo (por ejemplo horarios), es por medio de métodos parametrizados para días completamente despejados, los cuales han sido verificados en varias zonas del planeta. En estos métodos se considera que, en ausencia de nubes, la irradiancia solar total recibida en la superficie de la Tierra es un residuo, después de que el flujo extraterrestre ha sido atenuado por la absorción y dispersión atmosférica. La gran variedad de modelos propuestos en estos métodos se pueden consultar en (Iqbal, 1983; Estrada-Cajigal, 1985). En condiciones atmosféricas reales, se presenta un amplio intervalo de valores de turbiedad, agua y ozono y el modelo debe ser capaz de incluir estos cambios. Para México, se considera que el modelo de Hoyt (1978) es uno de los más apropiados, de acuerdo con los resultados de Galván et al, 1988. La estructura de éstos permite realizar el cálculo de la irradiancia solar para diversos tipos de atmósferas ideales y reales (limpia, turbia, seca, húmeda, etc). La mayor incertidumbre en estos métodos radica en la selección adecuada de las funciones de trasmisión atmosférica.

Para una atmósfera sin nubes, Hoyt (1978) propone calcular la irradiancia directa recibida en una superficie horizontal con la fórmula

Gbc = Eo Gsc cos θz (1- A5

1=jΣ j) Tas Tr (1.14)

donde Aj (j = 1 a 5) son razones de absorción para agua (j = 1), bióxido de carbono (j = 2), ozono (j = 3), aerosoles (j = 4) y oxígeno (j = 5); Tas y Tr son funciones de trasmitancia debida a la dispersión por el polvo y por las moléculas de aire (dispersión de Rayleigh), respectivamente; parámetros que se pueden estimar como lo indican Iqbal (1983), Estrada-Cajigal (1985) y Hoyt (1978). Gbc es la irradiancia solar directa instantánea en W/m2 y Gsc la constante solar.

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Los números entre paréntesis son langleyes durante el día.

∗ Los valores marcados sobre EUA se tomaron de las referencias Bennet, 1965 y Hulstrom, 1981.

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Fig 1.3 Promedio de irradiación global diaria en enero, en MJ/m2



14

Fig 1.4 Promedio de irradiación global diaria en febrero, en MJ/m2



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Fig 1.5 Promedio de irradiación global diaria en marzo, en MJ/m2



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Fig 1.6 Promedio de irradiación global diaria en abril, en MJ/m2



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Fig 1.7 Promedio de irradiación global diaria en mayo, en MJ/m2



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Fig 1.8 Promedio de irradiación global diaria en junio, en MJ/m2



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Fig 1.9 Promedio de irradiación global diaria en julio, en MJ/m2



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Fig 1.10 promedio de irradiación global diaria en agosto, en MJ/m2



21

Fig 1.11 Promedio de irradiación global diaria en septiembre, en MJ/m2



22

Fig 1.12 Promedio de irradiación global diaria en octubre, en MJ/m2



23

Fig 1.13 Promedio de irradiación global diaria en noviembre, en MJ/m2



24

Fig 1.14 Promedio de irradiación global diaria en diciembre, en MJ/m2



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Fig 1.15 Promedio anual de irradiación global diaria, en MJ/m2

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2. DESARROLLO DE ESPEJOS PARA CONCENTRADORES SOLARES

Iván Martínez Genaro Correa

Rafael Almanza Marcos Mazari

2.1 Introducción

El presente capítulo es continuación de los caps 2 y 4 del libro Ingeniería de la Energía Solar (Almanza y Muñoz, 1994), donde se explican los procedimientos de fabricación de espejos de acrílico de segunda superficie, así como de aluminio electropulido.

Con el fin de lograr una mayor pureza de las dos películas que conforman el espejo (Al y SiO), se emprendió la etapa del diseño y construcción de dos cañones de electrones (Ramírez, 1990). Posteriormente, a finales de 1992 se inició el desarrollo de espejos de primera superficie formados por dos películas, una reflectora de aluminio y otra protectora de monóxido de silicio (SiO), producidos mediante calentamiento térmico en una cámara al alto vacío. Sin embargo, las impurezas presentes en los filamentos de tungsteno empleados introdujeron impurezas que causaron la corrosión rápida de los espejos.

En este capítulo se presenta la experimentación llevada a cabo para mejorar la calidad, vida media y protección contra la corrosión en espejos de aluminio de primera superficie, por medio de cañones de electrones, y una nueva técnica: erosión iónica (sputtering), la cual permitió producir espejos de áreas grandes en el laboratorio. La exposición es detallada, lo que permitirá al lector tener una claridad completa sobre el alcance de estos experimentos.

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En lo que respecta a concentradores solares, se incluye el desarrollo realizado para obtener un concentrador cilíndrico parabólico conformado por espejos de 30 x 60 cm. Los espejos fueron unidos para formar una especie de mosaico, dado que el tamaño de los concentradores es muy superior al de los espejos. Se exponen los detalles tanto del doblado de los sustratos como de la fabricación de los espejos, así como de las características de enfoque de dicho concentrador. Los concentradores fueron colocados en la planta solar del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

2.2 Concentración solar y propiedades ópticas de espejos

Un concentrador de canal parabólico está formado por: una superficie reflejante depositada sobre un sustrato, una estructura de soporte que tiene el perfil de una parábola, un tubo absorbedor circular con un recubrimiento apropiado selectivo de color negro colocado a lo largo del eje focal del canal parabólico, y un tubo de vidrio con alta transmisividad, evacuado para evitar pérdidas por convección.

Para facilitar la construcción de tales colectores solares, se agrupan segmentos del canal parabólico en forma de módulos, cada uno de los cuales tiene su propio sistema de seguimiento solar, formado por una celda fotosensible y un motor. Así, la radiación incidente se absorbe por el fluido de trabajo que circula a través del tubo absorbedor. Este fluido puede ser aceite mineral, sal fundida o agua (Thomas y Guven, 1985).

El desempeño de cualquier sistema de energía solar mejora si aumenta la eficiencia del colector, por lo que ésta puede maximizarse si dicho incremento no significa un gran aumento en el costo. Los parámetros que afectan la eficiencia del colector son (Rabl et al, 1982):

a) Condiciones de operación, como irradiancia, disposición del movimiento (norte-sur, este-oeste), temperatura de operación, flujo del fluido de trabajo, etc

b) Propiedades de los materiales, como la reflectividad∗ y absortividad

c) Tipo de receptor. Incluye forma del absorbedor, cualidades de su superficie y diámetro del tubo

d) Geometría del concentrador, integrada por radio de concentración, ángulo de borde y apertura de la parábola.

∗ A lo largo del texto se usa la terminación ividad, de acuerdo con las definiciones discutidas por Siegel y

Howell en su libro Thermal Radiation Heat Transfer.

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Las condiciones de operación pueden variar de una instalación a otra, pero la reducción de costos por unidad de producción requiere un diseño común, por lo que estos parámetros deben ser los mismos. Los parámetros de diseño de un concentrador de canal parabólico pueden ser clasificados en geométricos y funcionales. Los primeros se refieren a todas las características físicas: el diámetro del tubo absorbedor, el diámetro del tubo de vidrio envolvente y el radio de concentración; mientras que los segundos aluden a las características de desempeño y comportamiento del concentrador de canal parabólico: la eficiencia óptica, la eficiencia térmica instantánea y de todo el día, y las pérdidas térmicas del tubo absorbedor. Estos parámetros son altamente influidos por las propiedades de los materiales utilizados y por los errores ópticos asociados con el sistema. Las propiedades por considerar de los materiales son: la reflectividad del espejo, la transmisividad de la cubierta de vidrio y la absortividad del tubo absorbedor. Los errores pueden deberse a los defectos en el material reflejante, a la estructura de soporte, a la localización del tubo absorbedor con respecto al eje focal del concentrador de canal parabólico y a una mala alineación de éste con respecto al Sol provocada por errores del sistema de seguimiento (Thomas y Guven, 1985).

La reflectividad especular es la propiedad óptica más importante de los espejos de primera superficie para aplicaciones en energía solar, ya que determina su eficiencia en el campo de trabajo como un criterio por el cual se puede evaluar su grado de corrosión o degradación.

Cuando un rayo de energía luminosa incide sobre un espejo, parte de él es reflejado y parte absorbido. La reflectividad solar se define como la relación entre la intensidad de la radiación solar reflejada (I) y la intensidad de la radiación solar incidente (Io). A esta relación comúnmente se le identifica como ρs, y es igual a I/Io. La intensidad de la radiación depende de la longitud de onda y la dirección (su distribución espacial), la que incluye la dependencia del ángulo sólido.

Al incidir un haz de luz con cierto ángulo sólido sobre una superficie, ésta lo refleja en dos componentes, la especular y la difusa, de donde se tienen dos tipos de reflectividad:

• Reflectividad especular. La reflexión se realiza conservando el mismo ángulo respecto a un plano normal

• Reflectividad difusa. La reflexión pierde el ángulo de incidencia y se distri-buye el haz hacia todas direcciones en forma hemisférica.

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En años recientes, el trabajo de investigación sobre este tipo de espejos ha sido desarrollado en el Instituto de Ingeniería, UNAM, con las tecnologías de descarga luminosa, cañón de electrones y erosión iónica con magnetrón plano, cuyos esfuerzos se han concentrado principalmente en las siguientes áreas:

1. En la película reflejante de aluminio, la cual depende de la razón entre el espesor y la velocidad de deposición, así como en el mejoramiento de la adherencia de la película sobre el sustrato de vidrio.

2. En la capa protectora, que debe ser escogida y preparada para que tenga una alta transparencia y sea ópticamente durable bajo varias condiciones de fabricación.

3. Pruebas de estabilidad ante agentes ambientales, mediante procesos acele-rados de intemperismo.

El cuarzo (SiO2), si se evapora adecuadamente, forma una capa que muestra poca absorción en el espectro ultravioleta y en el visible, y tiene un índice de refracción que es idéntico al del cuarzo fundido, lo cual es esencial para los espejos de primera superficie. Las películas de cuarzo se utilizan para el recubrimiento de superficies de semiconductores y como recubrimiento óptico, y brindan muy buena protección contra los embates del medio ambiente (Jiefeng et al, 1995).

2.2.1 Tipos de espejos

Básicamente existen dos tipos de espejos, los de primera superficie y los de segunda superficie (fig 2.1). Los primeros tienen la película reflejante colocada sobre la superficie del vidrio expuesta al medio; en cambio, los de segunda superficie tienen la película reflectora ubicada en la parte posterior del vidrio, y protegida por la estructura que soporta al espejo.

En 1986, el Instituto de Ingeniería de la UNAM (Almanza et al, 1992) desarrolló la primera generación de espejos de aluminio de primera superficie, utilizando evaporación térmica al vacío y evaporación reactiva. Sin embargo, el aluminio depositado con estas técnicas presentó numerosos microagujeros en la película de aluminio que facilitaban su corrosión.

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Fig 2.1 Tipos de espejos

Los primeros espejos utilizados en el mundo para aprovechar la energía solar fueron espejos de segunda superficie, ya que requieren poco esfuerzo para proteger a la película reflejante del ataque y corrosión del medio ambiente; sin embargo, necesitan vidrios especiales de baja absorción y resultan de costo elevado. Por esta razón y con el fin de hacer más accesible el uso de la energía solar, en el Instituto de Ingeniería, se desarrollaron espejos que utilizaran cualquier tipo de vidrio, y por tanto, fueran más baratos. Actualmente, EUA, España y Alemania también se dedican a la investigación y desarrollo de este tipo de sistemas reflejantes.

2.3 Sustratos de vidrio

En esta parte, se da una descripción general sobre la composición y propiedades del vidrio, así como de la influencia de ciertas sustancias para las diferentes aplicaciones. Además, se describe cómo se llegó a determinar la temperatura de reblandecimiento.

2.3.1 Generalidades

De acuerdo con la definición de la American Society for Testing Materials, el vidrio es un producto inorgánico fundido que se ha enfriado sin cristalizar. La composición de un vidrio puede representarse en moles por ciento o en peso por ciento. La primera forma es adecuada para investigaciones estructurales; por ejemplo, para establecer si un compuesto actúa como formador de red o como modificador. Sin embargo, en las fábricas y laboratorios de la industria del vidrio la composición se da solamente como porcentaje en peso. En la preparación de una composición vítrea se puede proceder de la siguiente forma: se añade el nuevo constituyente al vidrio base, el cual se calcula como el 100 %; o de otra manera, se pone también la arena igual al 100 % y se añaden a ésta las demás sustancias. No obstante, la mayor parte de las veces se prepara un nuevo

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vidrio, donde se sustituye gradualmente uno de los constituyentes, lo cual tiene como ventaja que sólo experimenta variación uno de los óxidos que constituyen el vidrio.

Al dejar enfriar una masa fundida de materia vítrea, se alcanza finalmente la temperatura de la primera formación de cristales, siempre que el enfriamiento sea lo suficientemente lento. Si este proceso se lleva a cabo en varias masas fundidas de igual composición cualitativa, pero cuantitativamente diferentes, y se unen las temperaturas correspondientes a la primera aparición de cristales, se obtiene la llamada curva de liquidus, por debajo de la cual existe casi siempre una parte todavía líquida. Si se unen entre sí las temperaturas de solidificación completa se obtiene la curva de solidus. En los sistemas de tres o más componentes ya no se obtienen curvas, sino superficies. Si la temperatura desciende todavía más, muchos de los cristales formados experimentan transformaciones, pasando de las variedades estables a altas temperaturas a las estables a bajas temperaturas. Si la masa fundida se enfría, por último, a la temperatura ambiente, se forman agregados cristalinos que son productos típicos de devitrificación para cada composición química de la masa fundida (Salmang, 1962).

2.3.2 Vidrios sílico-cálcico-sódicos

El desarrollo de la tecnología del vidrio se ha dado con el sistema ternario Na2O•CaO•SiO2, que es la mezcla base de casi todos los vidrios planos y huecos. La representación de este sistema en un diagrama ternario no se hace en la forma usual de un diagrama triangular de Gibbs, solamente se traza en un sistema de coordenadas rectangulares representando la parte de más interés técnico, la cual corresponde a composiciones comprendidas entre 0 y 24 % de Na2O, y entre 4 y 20 % de CaO. El resto hasta 100 % es de SiO2. En el centro se puede observar el máximo correspondiente al Na2O•3CaO•6SiO2.

En los vidrios industriales se hacen variar las composiciones para conseguir condiciones de elaboración más sencillas o para modificar algunas propiedades; la mayor parte de las veces esto se consigue añadiendo Al2O3, MgO, B2O3, ZnO, etc. Sin embargo, se pueden conseguir también las propiedades deseadas eligiendo una composición adecuada del sistema base.

El punto de transformación y el punto de reblandecimiento disminuyen linealmente al aumentar la cantidad de Na. En la representación triangular, las líneas de igual temperatura de transformación y del mismo coeficiente de dilatación se cortan formando una red (fig 2.2).

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Fig 2.2 Diagrama de líneas de reblandecimiento (Salmang, 1962)

Si se añade Al2O3 (trióxido de aluminio o alúmina) se observa que disminuye la temperatura de fusión, se detiene marcadamente la devitrificación, hay un fuerte aumento de las resistencias al lavado y al choque térmico, y la dureza junto con la tenacidad se ven influidas favorablemente.

Si se añade MgO (óxido de magnesio), la temperatura de líquidus y la velocidad de cristalización disminuyen un 10 % por cada 1 % de MgO.

Si se añade B2O3 (trióxido de diboro) hasta un 1.5 %, la temperatura de fusión y el coeficiente de dilatación decrecen ligeramente.

Al incorporar BaO (monóxido de bario) en pequeñas cantidades, disminuye la resistencia química al principio lentamente y después con rapidez, la temperatura de reblande-cimiento aminora y la dilatación térmica aumenta, la densidad crece linealmente con el aumento de BaO, y el módulo de elasticidad, el índice de refracción y la duración de la fusión disminuyen ligeramente, mientras que las propiedades de elaboración se mejoran.

La determinación de la importante temperatura de reblandecimiento no se lleva a cabo la mayor parte de las veces ópticamente, sino con ayuda de un dilatómetro o también se puede determinar con la temperatura a la que empieza a alargarse una fibra de vidrio suspendida. Este método tiene la ventaja de que puede realizarse a una determinada viscosidad. Esta temperatura de reblandecimiento depende del tratamiento térmico previo. En la tabla 2.1 se ven ejemplos del intervalo de temperatura entre reblandeci-miento y congelación para diferentes vidrios.

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TABLA 2.1 INTERVALOS DE TEMPERATURA DE TRABAJO PARA DIFERENTES TIPOS DE VIDRIO

Tipo de vidrio Temperatura de congelación, en °C

Temperatura de reblandecimiento, en °C

Pyrex 440 580 de botella 440-490 500-580 de borato 370 480 de cristal 350 435 de termómetro 390-450 520-540

Con esta tabla se pone en evidencia la influencia de la composición química en un par de propiedades de los vidrios. La fig 2.2 muestra líneas de relaciones entre los coeficientes de dilatación y las temperaturas de reblandecimiento para los vidrios cálcico-sódicos.

La vida de la superficie de un vidrio con fractura es muy corta. A causa de la rotura se originan enlaces libres por desgarramiento de los tetraedros de SiO2 y de sus compuestos adyacentes. Incluso en el vacío, apenas se puede evitar la saturación de estos enlaces libres dispuestos espacialmente. Cuando se consigue evitar su saturación, las valencias libres se emplean en la desaparición de las grietas; sobre tales superficies de rotura reciente, el polvo de vidrio se adhiere muy fuertemente.

Bajo la denominación de sorción se consideran la totalidad de las reacciones de superficie. La absorción tiene lugar en el interior del vidrio y la adsorción sobre su superficie. La limpieza de la superficie con mezcla crómica (H2SO4 + K2Cr2O7 + H2O) aumenta en un 40 % la superficie específica, mientras que, en la degasificación del vidrio a temperaturas crecientes, se encuentra un máximo de pérdida de gas entre 200 y 300°C, después sigue un mínimo entre 350 y 450°C, y a partir de entonces se observa un rápido aumento.

Una superficie de vidrio de sílice, plana, completamente libre de agua, absorbe agua a la temperatura ambiente, primero monomolecularmente (se adsorbe), después en una capa de grosor creciente que depende de la temperatura y de la presión de vapor (se empieza a absorber). La evaporación de la capa monomolecular es posible únicamente a temperaturas superiores a 200°C y bajas presiones.

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Las gotas de agua son retenidas en el vidrio por los grupos hidrófilos (algunos de los diferentes óxidos que forman al vidrio tienen regiones de su molécula que atraen a la molécula de agua) y su expansión se estorba por los hidrófobos (regiones de los óxidos que forman al vidrio y que repelen a la molécula de agua). El grado de mojado se reduce por los gases absorbidos.

El mojado se favorece cuanto más orientadas están las moléculas de la superficie. La superficie del vidrio, como se dijo, contiene zonas hidrófilas e hidrófobas, siendo las primeras de mayor predominio; en cambio en los metales predominan las segundas.

2.3.3 Ataque químico de la superficie del vidrio

Los ataques al vidrio por agua, ácidos y especialmente por soluciones alcalinas son completamente diferentes entre sí. Mientras que los dos primeros agentes disuelven principalmente las partes básicas existentes, la sosa destruye toda la materia vítrea. Este ataque es independiente del tiempo y de la agitación; depende de la temperatura y de la concentración, factores que promueven el rompimiento de los enlaces (Si-O-Si), seguido de la adsorción de los iones (OH)-. Sin embargo, la existencia de otros iones puede retardar el proceso.

El contacto con el agua determina la salida de iones Na+ del vidrio y la entrada de iones H+ en él, según la Ley de la difusión. Esto no es un intercambio de iones ya que existen variaciones químicas en la materia vítrea que mantienen la neutralidad electrónica del vidrio.

El proceso de corrosión debido a la acción del agua, comienza por la fijación de los grupos (OH)- en los grupos (SiO4)- de la superficie. A esto sigue el acoplamiento de los grupos (ONa)- después de la lixiviación de los álcalis, así como la fijación adicional de moléculas de agua. Esta hidrólisis conduce a formaciones estables, porque el apantallamiento y neutralización de las cargas de los iones Si4+ tienen lugar dentro de un elemento de volumen pequeño, por formación de complejos (ejemplo:

). Estos complejos pueden considerarse como sales sódicas hidratadas del ácido ortosilícico; además son solubles en agua, por lo que se pueden difundir y no protegen de un ataque posterior. Lo mismo sucede en el caso de ataque por ácidos.

++−

−+xλ8

26

4 NaHOSi

La corrosión alcalina se puede disminuir adicionando aluminatos al vidrio, ya que al polimerizar los grupos silicato de la superficie con grupos aluminato da lugar a la

37

formación de una película que evita una siguiente corrosión. El apantallamiento de los iones Si4+ se completa con una reacción de polimerización, con lo cual los iones Si4+ y Al3+ se unen a los iones OH- y adoptan una coordinación octaédrica. La capa polimerizada impide la difusión del resto de los productos formados después, de peso molecular más pequeño (Salmang, 1962).

La presencia de ácidos y álcalis diluidos tiene poca influencia sobre la descomposición del vidrio. En ocasiones ésta se cataliza, como con las lejías, ya que en la descom-posición del vidrio queda siempre lejía alcalina libre y el ácido silícico se hace soluble; por lo que los vidrios ricos en SiO2 y en B2O3 son más resistentes a los ácidos que al agua y más resistentes al agua que a los álcalis. Se puede decir entonces que la resistencia a la corrosión se eleva al aumentar el contenido de SiO2.

2.3.4 Curvatura del sustrato de vidrio

La composición del vidrio cálcico-sódico que se utilizó en los trabajos de investigación para construir la parte reflejante de los concentradores es la siguiente: 67.7 % de SiO2, 15.6 % de Na2O, 5.6 % de CaO, 4.0 % de MgO, 2.8 % de Al2O3, 2.0 % de BaO, 1.5 % de B2O3 y 0.6 % de K2O. Este es un vidrio de tipo flotado que, por las características de su fabricación, cuenta con una superficie bastante más plana (que la de un vidrio elaborado con otros procesos) en la que se deposita la película de material reflejante. El objetivo es lograr una reflectividad especular alta al formar el espejo.

La temperatura de reblandecimiento del vidrio flotado que se empleó, se determinó de la siguiente manera: se localizó en una región del diagrama de temperaturas de reblandecimiento (fig 2.2, en pág 35), la composición del vidrio anteriormente citada; de dicho diagrama se seleccionó un intervalo de temperaturas, el cual fue desde 530°C hasta 600°C (∆T ≈ 70°C). En ese intervalo se llevaron a cabo pruebas para la determinación de los puntos de reblandecimiento de los vidrios con los que se trabajó. Se usaron vidrios de tipo flotado y de tipo convencional, de diferentes tamaños de superficie, pero con el mismo espesor (3 mm).

2.4 El proceso de crecimiento de una película delgada

Según Wasa y Hayakawa (1992), cualquier tipo de proceso de deposición de películas delgadas, químico o físico, involucra tres etapas principales:

38

1. Producción de los átomos, moléculas o especies iónicas apropiadas

2. Transporte de las especies anteriores hacia el sustrato a través del medio

3. Condensación sobre el sustrato

La formación de una película delgada sólida es un fenómeno de superficie que se lleva a cabo vía nucleación y un proceso de crecimiento, el cual se describe a continuación:

1. Las especies unitarias provenientes del blanco*, al impactarse sobre la superficie del sustrato pierden su velocidad (componente normal) y son físicamente adsorbidas en ella.

2. Las especies inicialmente adsorbidas no se encuentran en equilibrio térmico con la superficie del sustrato, por lo que están en movimiento constante sobre ella. En este proceso, interactúan entre ellas mismas, formando grandes agrupaciones o núcleos.

3. Los grupos o núcleos formados son termodinámicamente inestables, por lo que con el tiempo pueden tender a desorberse según los parámetros de deposición. Cuando un grupo colinda con otras especies adsorbidas antes de desorberse, comienzan a crecer en tamaño. Después de alcanzar un tamaño crítico seguro, el grupo de especies alcanza la estabilidad termodinámica y se dice que la barrera de nucleación ha sido superada. Este paso involucra la formación de un tamaño crítico, quimiadsorbido, estable y se llama etapa de nucleación.

4. El crecimiento del núcleo crítico, tanto en número como en tamaño, se da hasta que se alcanza cierto valor en la densidad de saturación de la nucleación. La densidad de nucleación y el tamaño promedio de los núcleos dependen del valor de los parámetros como la energía de acumulación de especies, la razón de apilamiento, las energías de activación de adsorción, la difusión térmica, la temperatura, topografía y naturaleza química del sustrato, etc. Un núcleo puede crecer paralelamente al sustrato por difusión superficial de las especies adsorbidas, y perpendicularmente a él por apilamiento de las especies incidentes. Generalmente, sin embargo, la razón de crecimiento lateral en esta etapa es mucho

* Blanco: Placa hecha del material que va a ser evaporado con erosión iónica, generalmente con una pureza mayor

de 99 %.

39

mayor que la de crecimiento perpendicular. Los núcleos en crecimiento se llaman islas.

5. La siguiente etapa es la de coalescencia, en la cual las pequeñas islas comienzan a unirse unas con otras en un intento de reducir el área superficial del sustrato. Esta tendencia a formar grandes islas termina con una aglomeración y aumenta por el incremento de la movilidad superficial de las especies adsorbidas debido a una mayor temperatura. En algunos casos, la formación de nuevos núcleos puede ocurrir en áreas recientemente expuestas como consecuencia del efecto de coalescencia.

6. Grandes islas crecen juntas, dejando canales y agujeros sin recubrir el sustrato. La estructura de la película en esta etapa cambia desde un tipo de islas discontinuas hasta un tipo de red porosa. Una película completamente continua se forma al rellenarse dichos canales y agujeros.

2.4.1 Consecuencias estructurales del proceso de crecimiento para películas delgadas

En una película delgada hecha de un material cualquiera, su microestructura y detalles topográficos de la superficie dependen de factores como: cinética de crecimiento, temperatura del sustrato, naturaleza química, origen de las diferentes especies de impurezas, topografía del sustrato y ambiente gaseoso.

Por otro lado, los parámetros que influyen en la movilidad de adsorción de especies sobre la superficie del sustrato son: energía cinética de las especies incidentes, razón de depósito, sobresaturación (por ejemplo, el valor de la presión de vapor entre la concentración de la solución por arriba de los requerimientos de condensación a la fase sólida bajo condiciones de equilibrio termodinámico), condensación o coeficiente de adhesión (por ejemplo, la fracción del total de espacios adsorbidos sobre el sustrato) y el nivel de impurezas.

1. Microestructura. El tamaño de los granos formados durante el depósito puede crecer cuando la sobresaturación decrece y se incrementa la absorción de especies en la superficie. Cuando se tiene la suficiente energía cinética, la movilidad superficial se reduce debido a la penetración de las especies incidentes en el sustrato, y da como resultado un grano pequeño. Este efecto de la energía cinética de las especies impactantes sobre el tamaño de grano es más

40

pronunciado a mayores temperaturas del sustrato; dicho efecto es más significativo para películas relativamente más delgadas.

2. Rugosidad de la superficie. A condiciones de baja nucleación y alta sobresaturación, la densidad de los núcleos iniciales es alta y su tamaño crítico pequeño. Una medición cuantitativa del factor de rugosidad es la razón del área real efectiva entre el área geométrica disponible.

3. Densidad. Se puede conocer mediante la determinación del espesor de la película por métodos gravimétricos. Un comportamiento general observado en películas delgadas es el decrecimiento de la densidad con la disminución del espesor.

4. Adhesión. La adherencia de una película sobre un sustrato depende de la naturaleza química, limpieza y topografía microscópica de la superficie del sustrato. Esta propiedad se mejora con valores altos de energía cinética de las especies incidentes, energía de adsorción del depósito y densidad inicial de nucleación.

La presencia de contaminantes sobre la superficie del sustrato puede incrementar o disminuir la adhesión, dependiendo de si la energía de adsorción crece o decrece respectivamente. Así mismo, la adhesión de una película puede mejorarse mediante más centros de nucleación sobre el sustrato; por ejemplo, con el uso de sustratos de grano fino o sustratos precubiertos con el material adecuado. Las pérdidas de adherencia y depósitos porosos se dan bajo condiciones de sobresaturación y vacío pobre.

2.5 La evaporación térmica para fabricar películas delgadas

El número de átomos o moléculas evaporadas de una superficie sólida o líquida depende mucho de la temperatura. Como ya se conoce, la presión de vapor de equilibrio se alcanza en un sistema termodinámicamente cerrado. Sin embargo, en la práctica no se llega a tal equilibrio porque el medio que rodea a la fuente del vapor actúa como un sumidero que consume al vapor que le va llegando. Los átomos evaporados se condensan en cualquier parte que esté a menor temperatura. Con estas consideraciones se formuló una ecuación que expresa la razón de evaporación molecular con respecto al tiempo. La máxima velocidad de evaporación se obtiene con una αe = 1 y ph = 0 (Pulker, 1984).

41

⋅⋅⋅

−=⋅

Tkmpp

dtdN

Ahe

e πα

21 (2.1)

donde

dN número de átomos evaporados A área superficial (cm2) t tiempo (s) αe coeficiente de evaporación pe presión de equilibrio en la superficie del material (Torr) ph presión hidrostática del material fundido (Torr) m masa atómica (g/gmol) k constante de Boltzmann (J/K) T temperatura (K)

Hay varios métodos de evaporación, y su selección depende principalmente del tipo de material utilizado y de la pureza requerida para la película por fabricar; además, en la práctica influyen también el tipo de instalación disponible y los equipos con que se cuenta.

Uno de los métodos de evaporación más usados es el de calor por radiación, cuya fuente es generalmente una resistencia de tungsteno en forma de espiral, sobre la cual se monta el material por evaporar, por lo que debe ser un material con punto de fusión relativamente bajo.

Todos los métodos de evaporación térmica requieren de una presión mínima de 1 x 10-3 Pa (1 x 10-5 mbar), y solamente en el caso de algunos materiales se permiten presiones en una magnitud mayor. Los principales métodos son:

• Calentamiento directo con resistencia • Calentamiento indirecto con resistencia • Calentamiento con haz de electrones (cañón de electrones) • Cañón de deflexión • Cañón de telefoco • Calentamiento con láser • Calentamiento con alta frecuencia • Técnicas flash • Evaporación continua

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En las investigaciones realizadas, la presión mínima fue de 4 x 10-3 Pa (4 x 10-5 mbar), suficiente para evaporar aluminio. A continuación, se describen de manera muy general los dos primeros métodos de la lista.

a) La evaporación por calentamiento directo se lleva a cabo mediante una sublimación del material en forma de barra o cable sujetado entre dos electrodos, por lo que se calienta en forma directa debido al flujo de corriente. Esta técnica rara vez se utiliza en materiales como C, Fe, Ti y Rh.

b) Calentamiento indirecto con resistencia. Es un método más común. La evaporación del material se realiza en un contenedor o crisol hecho de Mo, Ta, W o C, que puede tener forma de tira, rizo, bote, etc. En algunas ocasiones se emplean recipientes cerámicos hechos de Al2O3 y BeO, BN o BN/TiB2. El contenedor se calienta por medio del flujo de corriente eléctrica y transfiere el calor para sublimar o evaporar el material. Se pueden elaborar reacciones químicas durante la evaporación, pero pueden llegar a ser indeseables cuando contaminan la película formada.

2.6 Uso de cañón de electrones para fabricación de espejos de primera superficie

2.6.1 Características del cañón de electrones

Un cañón de electrones suministra energía a una sustancia para evaporarla al alto vacío; dicho suministro se hace por medio de un bombardeo de electrones. Este dispositivo genera un flujo de electrones mediante un filamento de tungsteno, los cuales son acelerados y enfocados sobre la superficie de la sustancia por evaporar. Para ello, se utiliza la aplicación de campos eléctricos que van desde 4 hasta 10 kV.

Para el funcionamiento de los cañones se requiere una corriente mínima del haz de 10 mA. Al chocar los electrones sobre la sustancia, la mayor parte de la energía cinética de las partículas se convierte en calor y, por tanto, se pueden alcanzar temperaturas que exceden los 3 000°C. Puesto que la energía cedida se realiza con partículas cargadas, es posible concentrarlas para incidir sobre la sustancia de manera que existan partes que queden a baja temperatura, sobre todo las que entran en contacto con el crisol. Gracias a esto, las interacciones que pudieran existir entre el evaporante y el crisol pueden reducirse en gran medida.

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Existe gran variedad de arreglos (Chopra, 1979 y Glang, 1970), y éstos pueden clasificarse de acuerdo con la técnica usada para sostener al evaporante. Para este caso, el cañón empleado es el de trayectoria curva, lo que significa que el haz sigue una trayectoria de este tipo a causa de la aplicación de un campo magnético perpendicular a su trayectoria. Este campo magnético se suministra por un imán permanente.

Como fuente de electrones se emplea un alambre de tungsteno, que mantiene su forma y solidez a altas temperaturas. La vida media del filamento está limitada por las reacciones posibles con los vapores del evaporante y por la erosión iónica debido a la incidencia de iones positivos de alta energía.

Cuando al filamento se le induce corriente empieza a liberar electrones, para lo cual se requiere un alto voltaje, que va a partir de cero y aumenta hasta llegar al requerido, aproximadamente 4 kV. Una vez liberados, los electrones llegan al campo magnético que existe entre las dos placas de hierro (fig 2.3); ahí, la velocidad del electrón se vuelve constante y su trayectoria se desvía, dirigiéndose al centro del crisol donde se va a evaporar el material en experimentación. En el instante en que los electrones tienen contacto con la sustancia por evaporar, toda su energía cinética se transforma en energía calorífica, la cual con estos valores de energía (4keV) permite lograr temperaturas del orden de 3 000°C, de manera que se pueden evaporar materiales refractarios y óxidos. Para conocer con mayor detalle el diseño de estos cañones, se puede consultar Ramírez (1990).

En la fig 2.4, se observan los cañones de electrones dentro de la cámara de vacío de 2.3 m3. Cada cañón posee un crisol que es de diferentes materiales y contiene la sustancia por evaporar. Para evaporar aluminio se utiliza uno de nitruro de boro (BN), el otro está hecho de grafito y se utilizó en la evaporación del óxido de silicio. La razón de emplear dos materiales distintos obedece a que el grafito no reacciona con dicho óxido, inclusive al rojo vivo (durante la evaporación los crisoles adquieren este estado). Lo mismo ocurre con el nitruro de boro y el aluminio. Los crisoles descansan sobre una placa de cobre de 1.2 cm de espesor, en cuyo interior se encuentra una tubería del mismo material que conduce agua de enfriamiento, para evitar que al calentarse empiecen a evaporarse algunas partículas de cobre; asimismo, esta placa fue horneada para evitar un desprendimiento de gases provocado por posibles impurezas.

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1 Polo magnético (Fe)

2 Placa de cobre

3 Cátodo (acero inoxidable)

4 Soporte del filamento

5 Soporte del imán (Al)

6 Imán permanente (Alnico)

7 Crisol

8 Línea de enfriamiento

9 Filamento

Fig 2.3 Diagrama de un cañón de electrones

Fig 2.4 Arreglo de los cañones de electrones en el interior de la cámara de vacío

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2.6.2 Evaporación del aluminio y monóxido de silicio

La evaporación es una de las tres técnicas utilizadas para la deposición de materiales metálicos sobre sustratos de vidrio; las otras dos son la depositación química y la erosión iónica.

De todas estas técnicas, la que más se utiliza para producir espejos de manera comercial es la depositación química. La evaporación le sigue en importancia de uso, pero es más común encontrarla como el método preferido en laboratorios de investigación. La erosión iónica requiere mucho equipo periférico, por llamarlo de alguna manera, pues involucra cámaras de vacío y mucha energía para lograr desprender iones de un metal y depositarlos en un sustrato (González y Olvera,1989). Sin embargo tiene muchas ventajas, pues permite también fabricación en gran escala, además, produce películas muy resistentes a la corrosión lo que hace que los espejos fabricados por erosión iónica sean los más promisorios para aplicaciones en energía solar.

Es posible conocer la técnica empleada para la elaboración del espejo con sólo apreciar su duración. Así pues, la técnica que deja un mayor contenido de contaminantes en la superficie reflectora es la de depositación química, ya que el proceso se realiza en condiciones ambientales comunes, en presencia de humedad y polvo. Los otros dos métodos también presentan contaminación aunque mucho menor, debido a que se llevan a cabo dentro de cámaras especiales de vacío, donde sólo pueden "ensuciar" los gases que se usan durante el proceso en sí; por ello, se recomienda el manejo de gases inertes.

2.6.3 Proceso de evaporación con cañón de electrones

El calentamiento de una resistencia, hecha de un material con alto punto de fusión como tungsteno, molibdeno, tantalio o niobio, genera un flujo de electrones que incide sobre el crisol, con la sustancia por evaporar y recubierto algunas veces por cierto tipo de cerámica para evitar emisión de impurezas. Estos electrones al chocar transforman su energía cinética en calorífica, trayendo consigo un cambio de agregación de la sustancia dentro del crisol. Se genera un vapor, que va a depositarse sobre la superficie fría del vidrio que está en la trayectoria de la sustancia que se está evaporando.

Según sea el material que se vaya a evaporar, el tiempo y la intensidad de la corriente se deja circular, pues con ello se controla el espesor de la película, que para ser reflectiva, requiere de espesores mayores de 70 nm.

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Los vidrios ya completamente limpios se montan sobre una estructura metálica puesta ex profeso, dentro de la cámara de evaporación y a una altura de 40 cm por arriba de los cañones de electrones.

En cada proceso de evaporación se colocan tres vidrios, abarcando solamente un área de 200 x 150 mm, pues de esta manera se asegura que el ángulo de incidencia de los vapores no sea mayor de 30 grados con respecto a la normal a la superficie del sustrato. Como materia prima para la superficie reflejante, se debe usar aluminio de alta pureza (99.99 %) y dióxido de silicio al 99 % como material protector.

Una vez alcanzada la presión de alrededor de 1.33 x 10-3 Pa* dentro de la cámara de evaporación o vacío, se cierra parcialmente la válvula aislante de alto vacío y se abre la válvula de aguja para permitir la entrada de oxígeno hasta una presión de 1.33 Pa, con la cual se produce la descarga luminosa (plasma) a condiciones de 3 000 V y 400 mA. La descarga luminosa se constituye como la etapa final in situ de la limpieza del sustrato de vidrio. Este proceso dura de 15 a 20 minutos.

Durante la descarga luminosa, los iones acelerados a altas velocidades, al chocar, son capaces de remover moléculas de gases adsorbidos en la superficie del vidrio. Para sustratos de vidrio, se prefiere la descarga luminosa con oxígeno porque se incrementa la adhesión entre la película de aluminio y el vidrio (Almanza et al, 1992).

Al terminar esta etapa, se abre por completo la válvula de alto vacío para extraer todos los gases del interior. Al conseguirse un vacío entre 1 y 5.33 x 10-3 Pa, se empieza a aplicar gradualmente corriente al cañón de electrones que tiene el crisol con aluminio hasta conseguir la velocidad de evaporación deseada. Se deposita entonces una película reflejante de 100 nm sobre la superficie de los vidrios a una velocidad mínima de 0.35 nm/s. La tabla 2.2 presenta los parámetros principales que se toman en cuenta a lo largo del experimento.

Una vez que se alcanzó el espesor deseado, se apaga el cañón y se introduce suficiente oxígeno para alcanzar una presión en la cámara de evaporación que va de 1.06 x 10-2 hasta 1.33 x 10-2 Pa (la presión de l.33 x 10-2 es el valor máximo al cual se puede trabajar, pues es el límite dentro del intervalo de operación en el cual trabaja la fuente de poder que alimenta a los cañones).

* Se utilizan Pa como unidades de presión y nm para espesores; sin embargo, el equipo está calibrado para

trabajar en Torr y µm de Hg para las presiones y en Å como unidad de espesor (1 Torr = 133.3437 Pa, 1.013 Pa = 7.6 µm de Hg, 1 nm = 10 Å).

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TABLA 2.2 PARÁMETROS PRINCIPALES DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN DE ALUMINIO CON CAÑÓN DE ELECTRONES

Tiempo de depósito, en min

Presión de trabajo, en Pa

Corriente en el cañón de e-, en mA

Espesor de aluminio, en nm

0 6.66 x 10-3 30 0 2 6.66 x 10-3 35 0 3 6.53 x 10-3 40 1.3 4 6.13 x 10-3 40 3.5 5 6.13 x 10-3 45 16.2 6 6.26 x 10-3 50 56.0 7 6.00 x 10-3 50 101.3

TABLA 2.3 EVAPORACIÓN DE ÓXIDOS DE SILICIO POR MEDIO DE CAÑÓN DE ELECTRONES Y SUS PROPIEDADES

Evaporación de SiO Propiedades de los óxidos de Si

Composición química de la

película

Condiciones de evaporación

Velocidad de evaporación

Compuesto Índice de refracción (0.55µm)

λ característica (µm)

SiO 1.33 x 10-3 Pa 2 nm/s SiO 1.9 - 1.2 10.2 SiO 1.33 x 10-2 Pa 37 nm/s Si2O3 1.52 - 1.55 9.4 - 9.7 y 11.5

Si2O3 1.33 x 10-2 Pa 0.4nm/s SiO2 1.46 - 1.47 9.3 - 9.4 y 12.5SiO2 y Si2O3 1.33 x 10-1 Pa 0.4 nm/s

El siguiente paso es la evaporación del SiO en una atmósfera de oxígeno, con el otro cañón de electrones; a esto se le conoce como evaporación reactiva (Hass et al, 1982 y Glang, 1970), pues no es sólo SiO lo que se deposita sobre el espejo, sino un compuesto producto de la reacción de éste con el oxígeno: dióxido de silicio (SiO2). Si se evapora suficiente monóxido de silicio, a una velocidad de 0.1-0.3 nm/s, hasta llegar a producir una capa protectora de 250 nm, se consigue una película con una proporción de 1.5 átomos de oxígeno por cada átomo de silicio. Una manera fácil de expresar dicha relación estequiométrica se logra con la fórmula Si2O3, que se manejará de aquí en adelante.

Un análisis cuidadoso mediante espectroscopía de infrarrojo e índices de refracción de películas de óxidos de silicio, realizado por Ritter y Pliskin en la década de los sesenta (Ritter, 1966; Ritter, 1962; Pliskin y Lehman, 1965), mostró que se favorece la formación de Si2O3 cuando se evapora bajo estas condiciones (tabla 2.3).

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Se trazó un gráfico de las constantes de extinción obtenidas de los espectros infrarrojos versus relación estequiométrica de átomos de oxígeno respecto a los de silicio y se compararon contra los valores que tendrían si el compuesto en la película fuese SiO2.

Por medio de una técnica microanalítica y los espesores de película, se determinó la masa de los átomos Si2+ del SiO que no reaccionaron con el oxígeno introducido. En el SiO2, los átomos de silicio presentan estado de oxidación 4+. Conociendo el peso total de la película se puede establecer su composición, es decir la estequiometría de la película protectora.

Esta técnica analítica se puede llevar a cabo porque la reacción de oxidación se efectúa en la superficie del sustrato. El oxígeno se encuentra químicamente adsorbido en la película donde se depositará el compuesto de silicio, cuyo número se puede calcular según una ecuación propuesta por Trapnell (Ritter, 1966), que depende del número de moléculas de oxígeno que colisionan con el sustrato, un valor de 3x1016 moléculas de O2/cm2 en un segundo, es el usual para favorecer la formación de Si2O3.

En dichas investigaciones se estableció que las películas evaporadas con cañones de electrones a partir de SiO bajo las condiciones indicadas en la tabla 2.3 estaban compuestas de 1.5 átomos de oxígeno por cada átomo de silicio (si hubiese reaccionado todo el SiO, se tendrían dos átomos de oxígeno por cada silicio); una manera adecuada de expresar dicha relación es proponer la fórmula aparente Si2O3. Los espectros de estas películas presentan bandas de absorción corridas y más anchas que las del SiO2, lo que se debe a la porosidad y deficiencia de oxígeno.

La estructura de la película contiene numerosos enlaces "cortados" (≡Si-O• •Si≡ en lugar de ≡Si-O-Si≡), los cuales pueden ser parcialmente hidrogenados si hay hidrógeno en el gas residual o posiblemente también vapor de agua. Sin embargo, esta absorción se presenta sobre todo al exponerse la película a la atmósfera; de ahí que se haya mencionado anteriormente, que al exponerse la película al aire se termina de oxidar (≡Si-O-O-O-Si≡ ) (Correa, 1993).

Esta película protectora posee baja absorción en la región solar del espectro electromagnético y una alta dureza. El SiO tiene una transmisividad más baja que el Si2O3. Baja velocidad y alta presión del oxígeno son la clave para producir espejos de alta calidad, según se pudo comprobar tanto en lo citado por la bibliografía como en los experimentos realizados.

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TABLA 2.4 PARÁMETROS PRINCIPALES DURANTE LA EVAPORACIÓN DE SiO CON CAÑÓN DE ELECTRONES

Tiempo de depósito, en min

Presión de trabajo, en Pa

Corriente en el cañón de e-, en mA

Espesor de Si2O3, en nm

0 1.33 x 10-2 18 2.4 3 1.33 x 10-2 18 12.8 4 1.33 x 10-2 18 13.6 6 1.33 x 10-2 18 17.3

20 1.33 x 10-2 20 46.8 22 1.33 x 10-2 20 50.5 24 1.33 x 10-2 20 54.8

66 1.33 x 10-2 20 153.8 68 1.33 x 10-2 20 158.0 70 1.33 x 10-2 20 165.0

110 1.33 x 10-2 22 247.6 112 1.33 x 10-2 22 251.0

112.5 1.33 x 10-2 22 253.4

Durante las evaporaciones, el espesor de las películas depositadas se verifica con el medidor de espesores. De esta forma, es posible estimar la velocidad de deposición y ajustarla con sólo aumentar o disminuir la corriente eléctrica que llega a los cañones. Los datos que se registran en una evaporación típica de SiO se muestran en la tabla 2.4.

2.6.4 Características de la película protectora

Como se comenta en Hass et al, 1982, la película protectora basada en trióxido de silicio (Si2O3) constituye un excelente material para realizar recubrimientos, puesto que se adhiere firmemente al aluminio y se endurece rápidamente cuando se expone al aire a causa de la oxidación de su superficie. El trióxido de silicio presenta alta absortividad a longitudes de onda inferiores a 300 nm (Hass et al, 1982). Sin embargo, esto no afecta la reflexión en los espejos, puesto que se desea que trabajen en el ámbito del espectro, que va de 350 a 2 500 nm.

La composición y propiedades ópticas de la película de Si2O3 dependen en gran medida, de las condiciones de evaporación: velocidad de depósito y presión parcial de oxígeno. Para producir una película con las características reflejantes deseadas (nula absortividad en el ultravioleta cercano, visible e infrarrojo cercano), se requiere una velocidad de evaporación de 1 a 0.3 nm/s y una presión parcial de oxígeno de cerca de 1.33 x 10-2 Pa, pues de otra manera el compuesto que se deposita en los espejos no es Si2O3.

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1 Portaobjetos 2 Portaobjetos con una película

depo itada de Si2O3 (250 nm) 3 Vidrio corning 7090 Tr

ansm

isiv

idad

en

porc

ient

o

Fig 2.5 Transmisividad de tres tipos de vidrio

Fig 2.6 Patrón de difracción de rayos X de la película de Si2O3

Para determinar la absortividad solar de esta capa, se depositó únicamente Si2O3. en un portaobjetos. Comparando la transmisividad antes y después de haber evaporado, se corroboró que dicha capa tiene una absortividad mínima a la radiación en el ámbito de interés del espectro. La fig 2.5 presenta los espectros correspondientes.

El tipo de estructura que posee la película protectora puede ser policristalina, monocristalina (un solo cristal) o amorfa, dependiendo de la temperatura del sustrato y la velocidad de deposición (Khan, 1970). De un análisis de los patrones de difracción de rayos X de la muestra ya mencionada, resultó que su estructura es amorfa (fig. 2.6), lo que coincide con lo mostrado en la bibliografía (Pulker, 1984). Normalmente, las películas

51

de óxidos de silicio evaporadas y condensadas a temperaturas menores de 400ºC son vítreas y amorfas; presentan un grado diferente de polimerización, debido a la cantidad de oxígeno que contienen, ya que llegan a tener enlaces silicio-silicio (–Si–Si–).

Si se mantiene una baja presión parcial de oxígeno en el evaporador o si la velocidad de evaporación es elevada, la capa protectora revela tanto una absortividad a todas las longitudes de onda menores de 500 nm como un color amarillento (típico cuando se tiene monóxido de silicio); Hass et al (1982) y Almanza et al (1995) reportan resultados similares. En resumen, la velocidad con que se depositan los vapores de Si2O3, así como la cantidad de oxígeno, determinan la composición química de la capa protectora, que influye junto con el espesor de la capa de aluminio en la reflectividad de los espejos de primera superficie fabricados por cañones de electrones.

2.6.5 Influencia de la velocidad de evaporación del aluminio y su espesor en la reflectividad

Existen opiniones divididas respecto a la velocidad de depósito del aluminio. Para alcanzar altas reflectividades, Hass et al (1982) recomiendan una velocidad de depósito elevada. Sin embargo, otros investigadores consideran que este aspecto no es importante ni tiene influencia (Griffin, 1980).

Para determinar cuál criterio es más certero y útil para estas necesidades, se prepararon algunos espejos (evaporando únicamente aluminio), unos a alta y otros a baja velocidad; su reflectividad fue medida y, como ejemplo, se muestran algunos resultados en la tabla 2.5. De ellos, resultó que es necesario evaporar rápidamente el aluminio.

TABLA 2.5 REFLECTIVIDAD A DIFERENTES VELOCIDADES DE DEPÓSITO DE ALUMINIO

Espesor de película (nm) Muestra

Al Si2O3

Velocidad de depósito del aluminio (nm/s)

ρs (±0.001)

04-29-2 400 2000 0.8 0.864 07-08-2 109.2 2000 0.74 0.872 04-27-1 201.6 2000 0.73 0.841 02-20-1 107 2000 0.18 0.805 04-20-1 200 2000 0.15 0.811 04-20-1 200 2000 0.15 0.803 05-04-1 200 2500 0.7 0.866 03-30-2 131.3 2500 0.29 0.809

52

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0 100 200 300 400 500 Espesor (nm)

Reflectividad

Fig 2.7 Relación entre el espesor de la película de aluminio y su reflectividad

Con estos mismos espejos y otros fabricados especialmente, se hizo también un estudio sobre el espesor óptimo. Se observó que no existe una dependencia entre la reflectividad y el espesor de la película de aluminio si éste es superior a 100 nm. A espesores menores de 100 nm la reflectividad decrece; la razón es que la capa de aluminio es tan delgada que deja pasar parte de la luz incidente; si se observa a través de ella se notará que es posible visualizar los objetos que están enfrente.

Es importante optimar el espesor de la película reflejante para que los costos de fabricación no se eleven por el excesivo consumo de material reflejante y para que los esfuerzos mecánicos de las interfases Al-vidrio y Al- Si2O3 no provoquen desprendi-mientos de las películas. En películas muy gruesas se pierde flexibilidad, pues llegan a ser muy rígidas y pesadas. Esto hace que los esfuerzos inducidos por la diferencia en los coeficientes de expansión de los compuestos rompan los enlaces en las interfases.

Con base en los resultados y en las consideraciones expuestas, se concluyó que el espesor de 100 nm (±20 nm) es el más apropiado para el aluminio. Si se considera el Si2O3, éste debe ser lo suficientemente grueso para proteger al aluminio de la degradación y abrasión, pero no a tal grado que reduzca la reflectividad de los espejos. Se observó que con espesores menores de 200 nm la reflectividad era alrededor de 6 % menor que en los espejos con espesores de 210 a 250 nm (Correa, 1993). Espesores de hasta 350 nm no influyen en las propiedades ópticas (fig 2.7).

2.7 El proceso de la erosión iónica

La erosión iónica (sputtering) de materiales por medio del bombardeo con iones positi-vos de gases nobles es el proceso más antiguo para producir películas delgadas en vacío.

53

Fue descubierto hace más de 140 años por Grove en 1852, en Inglaterra, y por Plücker seis años más tarde, en Alemania, durante experimentos de ionización de gases (Pulker, 1984). En ese tiempo era considerado un fenómeno indeseable, puesto que el cátodo del tubo de descarga era destruido. En 1877, el proceso de erosión iónica en metal se aplicó para la producción de espejos; posteriormente, se utilizó para la decoración de artículos con películas de metales nobles, y alrededor de 1930, para aplicaciones eléctricas con películas conductoras de oro sobre la cera del fonógrafo de Edison. En 1933, la erosión iónica se empleó para depositar algunas películas conductoras, pero perdió popularidad a causa del rápido desarrollo de otras técnicas como la evaporación térmica. Sin embargo, en 1955 tuvo un resurgimiento que ha durado hasta nuestros días. Investigadores de todo el mundo han realizado numerosos estudios del fenómeno que han dado como resultado su conocimiento completo. Esto permitió un desarrollo tecnológico que facilita en la actualidad un control preciso del proceso y con ello la capacidad de producir películas de alta calidad para aplicaciones cada vez más numerosas.

La erosión iónica se lleva a cabo bombardeando una superficie sólida con partículas energizadas como, por ejemplo, iones acelerados, para provocar que los átomos de dicha superficie se desprendan y se dispersen en todas direcciones debido a las colisiones de dichas partículas cargadas con energía (Jiefeng et al, 1995a y b).

La erosión iónica se inicia con la primera colisión entre las partículas incidentes del gas residual y los átomos de la superficie del sólido por evaporar, llamado blanco, los cuales se empujan de la superficie hacia el interior, creando un fenómeno parecido al del tiro inicial en una partida de billar, donde rebotan con los primeros átomos que conforman la red policristalina del sólido. Suponiendo un arreglo aleatorio de los mismos, la distribución de la energía del choque llega a extenderse de 5 a 10 nm por debajo de la superficie; sin embargo, la mayor parte del intercambio de momentum ocurre sólo hasta 1 nm, donde las partículas, a su vez, desplazan hacia afuera a los átomos que se encontraban en la superficie en ese momento (Ishitani, 1974 y Harrison, 1968, en Sequeda, 1986). El átomo desalojado viaja a través del medio donde se encuentran los iones y se condensa en la superficie del sustrato.

La fracción de energía cinética transferida por la partícula incidente se obtiene con la siguiente ecuación (Sequeda, 1986).

2)(4

ti

ti

MMMM

+=ε (2.2)

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donde Mi es masa del ión incidente (kg) y Mt masa del blanco (kg).

2.7.1 Corriente directa

Al aplicar una diferencia de potencial entre dos electrodos que se encuentran a cierta distancia uno de otro y que están inmersos en un gas neutro a baja presión (vacío), el flujo de corriente que pasa a través de dicho gas puede ser insignificante debido a la alta resistencia eléctrica.

Si la resistencia del gas neutro es mayor que la resistencia del circuito en general, el voltaje entero cae uniformemente a través del espacio existente entre los electrodos. Pero si el cátodo es forzado a emitir algunos electrones por una fuente externa de corriente directa, el campo eléctrico existente los acelera hacia el ánodo. En su camino, estos electrones chocan con las moléculas del gas neutro y las ionizan, lo cual hace que con cada nueva colisión se emitan nuevos electrones, hasta que el número total de ellos que alcanza el ánodo es mayor que el número producido originalmente en el cátodo. Los iones que resultan de esas colisiones también son acelerados por la acción del campo eléctrico, pero en dirección del cátodo. Bajo estas condiciones una pequeña corriente fluirá entre los electrodos.

Si se aplica el voltaje necesario, algunos de los iones que chocan en el cátodo causarán una emisión secundaria de electrones desde la superficie del cátodo. Los electrones secundarios también son acelerados por el campo eléctrico y provocan nuevas colisiones generando más iones y electrones. Estos dos procesos de ionización, por electrones de impacto y electrones secundarios emitidos por un choque iónico, controlan la cantidad de corriente (I) que fluye a través del gas y puede describirse mediante la siguiente ecuación (Maissel y Glang, 1970):

[ ]110

−−= )d(

)d(

ere.II α

α

(2.3)

donde

I total de corriente que llega al cátodo I0 cantidad de corriente directa (electrones primarios) alimentada al cátodo α número de iones producidos por unidad de longitud d distancia entre electrodos r número de electrones secundarios emitidos por ion incidente

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Esta ecuación predice los valores de corriente en un gas a voltajes por debajo del voltaje causante del fenómeno de “descarga luminosa”. Si se eleva el voltaje entre los electrodos, el número de electrones producidos por unidad de longitud (α) y el número de electrones secundarios emitidos por ion incidente (r) aumentan, lo que hace negativo al denomi-nador de la ecuación anterior. A partir de ese momento la ecuación deja de ser útil.

En ese momento también, la cantidad de electrones secundarios producidos en el cátodo son suficientes para mantener el flujo de corriente necesario para producir una descarga luminosa. La descarga luminosa se consigue si un gas recibe la energía suficiente para ionizarse y emitir radiación visible; se dice entonces que el gas “encendió”. En inglés se conoce como gas breakdown.

2.7.2 Radiofrecuencia

La erosión iónica con corriente directa de materiales dieléctricos no puede llevarse a cabo debido a que existe acumulación inmediata de cargas positivas en la superficie de material por depositar, lo que provoca que la descarga luminosa no se mantenga por mucho tiempo. Los iones se acumulan pues el material no es conductor; entonces, en la superficie la carga neta se hace positiva, y repele a los nuevos iones que van llegando.

Este problema se resuelve aplicando el potencial con radiofrecuencia. De esta manera la polaridad de los electrodos se cambia varios miles o millones de veces por segundo, lo que evita que transcurra el tiempo suficiente para que las cargas se acumulen.

Este fenómeno fue observado por Robertson y Clapp en 1933; en 1960 se empezó a utilizar en el depósito de películas de dieléctricos (Wasa y Hayakawa, 1992). Actual-mente, la erosión iónica con radiofrecuencia es ampliamente usada para la fabricación de películas de compuestos como SiO2, Al2O3, BN, Si3N4, Ta2O5, HfO2 y otros óxidos.

La mayoría de los blancos para erosión iónica se adhieren a una placa metálica refrigerada con agua. El adhesivo es generalmente soldadura de indio, de indio-estaño o algún epóxico tanto conductor térmico como eléctrico. Es muy importante la refrigeración cuando se manejan dieléctricos, pues por las características no conductoras de los materiales, el calor se acumula más rápidamente que en los metales, y cuando se trabaja a altas potencias, es posible incluso alcanzar la temperatura de sublimación y que el material sea tanto erosionado como evaporado. Por estas razones los blancos llegan a ser más delgados, con espesores inferiores a un centímetro.

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Fig 2.8 Regiones del plasma (Rossnagel et al, 1990)

2.7.3 Regiones del plasma

Después de romper con la resistencia eléctrica del gas ionizado ocurre una descarga luminosa, es cuando se dice que el gas "se encendió". Entonces, aparecen regiones diferentes y la distribución del potencial entre los electrodos ya no es uniforme. La fig 2.8 muestra el comportamiento de la descarga de CD. En ella se ven separadas las diferentes regiones que se presentan en ese espacio; sin embargo, a simple vista la descarga luminosa se observa como una entidad continua en la que es difícil diferenciar cada una de las regiones que se describen a continuación (Dobrowolski y Pekelsky, 1992).

a) Halo catódico. Es una capa luminosa muy angosta que generalmente se puede observar junto al cátodo. Este halo surge cuando los iones decaen de su estado

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excitado, es decir, que la luz visible emitida en esta región se debe a la pérdida de la excitación del gas neutro en la superficie del sólido bombardeada por él.

b) Espacio oscuro de Crookes. Esta es una región muy importante para la descarga con CD, ya que en un principio el voltaje entre los electrodos es uniforme pero cuando se forma el resplandor y el gas comienza a emitir luz visible, casi todo el voltaje aparece a través de esta región; éste acelerará los iones positivos desde la región negativa del halo luminoso hacia el cátodo, donde se lleva a cabo la emisión de electrones secundarios con una probabilidad aproximada de 0.1 a 0.05 (es decir, que deben chocar con la superficie del cátodo alrededor de 10 a 20 iones para liberar un electrón secundario), y también son causantes de la erosión iónica del cátodo. En esta región, los electrones secundarios también son acelerados por el campo eléctrico hacia el ánodo para entrar a la región negativa del halo luminoso; su velocidad es mayor que la de los iones positivos por lo que la densidad de electrones es menor que la densidad de los iones presentes.

c) Halo negativo. Esta región se caracteriza por tener densidades electrónicas e iónicas casi iguales, típicamente en el intervalo de 109 a 1011 cm-3. Esto se debe al tamaño del campo eléctrico en el espacio oscuro de Crookes, el cual hace que los electrones lo atraviesen rápidamente y algunos de ellos alcancen la orilla del halo negativo; así, comienzan a producir cantidades significativas de pares ión-electrón; el predominio de la carga positiva decae rápidamente y empieza una región neutral formada por aproximadamente el mismo número de iones y electrones. En esta región los electrones ocultan a los iones, ya que estos últimos no son influidos por la existencia de los electrodos y se mueven a través del halo negativo por difusión más que por la influencia del campo eléctrico. A esta región luminosa negativa se le llama plasma.

d) Espacio oscuro de Faraday. Cuando los electrones entran a la región del halo negativo, prácticamente poseen la totalidad de la caída de potencial del cátodo. Esta energía se pierde a través de una serie de ionizaciones sucesivas o excita-ciones por colisión. Eventualmente la energía de los electrones se reduce al punto en el que ya no pueden producir iones adicionales. En la orilla más lejana del halo negativo, donde ya no se produce ningún ion adicional, los electrones comienzan a acumularse, formando una región de insignificante carga negativa, en la cual los electrones no tienen la suficiente energía para causar otra ionización o excitación, por tanto es una región oscura.

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Fig 2.9 Plasma sobre el blanco de un magnetrón plano

e) Columna positiva. Después de pasar a través del espacio oscuro de Faraday por difusión, los electrones son acelerados por un pequeño campo eléctrico local hacia el ánodo de manera similar a la descrita en la ec 2.3 pero con r = 0. A esta región se le conoce como columna positiva.

El espacio oscuro de Faraday y la región de columna positiva, generalmente no juegan un papel muy importante en el proceso de formación y mantenimiento del plasma (aunque son muy importantes para las descargas que se usan como fuentes luminosas). Si el ánodo se mueve cada vez más cerca hacia el cátodo, la columna positiva puede apagarse y el espacio oscuro de Faraday puede desaparecer. En este trabajo dicha distancia puede oscilar entre 10 y 16 cm, sin que se presente ningún problema.

En la fig 2.9, se presenta un esquema de la dirección de las líneas del campo magnético y eléctrico en la superficie de cualquier blanco en un magnetrón plano.

2.7.4 Efecto de la temperatura del sustrato durante el proceso de erosión

La temperatura del sustrato tiene un efecto mayor sobre las propiedades de la película que cualquier otro parámetro de la evaporación. Como se esperaba, una razón de deposición rápida tiende a formar películas con baja densidad; sin embargo, este efecto es relativamente pequeño en usos normales.

Las películas de cuarzo depositadas por erosión iónica con fuente de radio frecuencia sobre un sustrato con temperaturas alrededor de 450°C parecen estar más compactas que las depositadas a una temperatura de casi 100°C, lo cual se aplica para un blanco de silicio puro que al ser evaporado reacciona con el oxígeno presente en el plasma. Lo anterior se manifiesta al comparar la posición de las bandas de absorción en el espectro

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de las películas hechas por erosión iónica y las películas hechas con un método térmico-oxidante, ya que la forma de las primeras, correspondiente a baja temperatura, es más grande que las de las hechas a altas temperaturas. La principal diferencia se da en las bandas medias (Pliskin et al, 1967).

2.7.5 Arcos producidos durante el proceso de erosión iónica

La física de los arcos de plasma y su origen, ha recibido una gran atención durante los últimos cinco años. El problema físico de mayor interés es el aumento de la ionización de un gas inmerso en un campo eléctrico, y el subsecuente agotamiento de las características aislantes de dicho gas cuando está en estado neutro, sin que éste haya alcanzado una saturación de corriente, por lo que puede conducir aun más corriente; así un plasma o una descarga luminosa se da en un gas conductor.

Un arco, es un evento local que ocurre en la cámara donde se lleva a cabo la evapo-ración y que es perjudicial para el proceso. Los arcos son pequeños cortocircuitos con densidades altas de energía, que tienen el efecto de una explosión en miniatura. Cuando ocurre alguno cerca de la superficie del blanco o de la superficie de la cámara de vacío, causa una pequeña fusión local del material; este material se expulsa en parte y puede dañar la sustancia que está siendo procesada, además de acumularse sobre cualquier otra superficie. Este tipo de erosión puede contaminar al blanco, así como degradar la estructura que soporta todo el equipo (Grove, 1995). Los principales tipos de arcos son (Scholl, 1995):

a) Interacciones entre el plasma y el blanco. Ocurren en el espacio oscuro de Crookes cuando es "puenteado" por un flujo muy fuerte de electrones, que pudo haberse originado por el agotamiento de una región aislante sobre el blanco u otra fuente de electrones provenientes de la superficie del mismo blanco. La inversión del voltaje de dicho blanco inmediatamente apagará estos arcos.

b) Arcos homopolares. Se producen cuando grandes campos eléctricos se forman a lo largo de una superficie de una región del blanco aislada eléctricamente, ya que se crea un flujo de corriente a lo largo de dicha superficie o entre la parte aislada y las regiones conductoras de sus alrededores.

c) Interacciones entre el escudo del magnetrón y el sustrato. Se forma un arco entre el escudo del magnetrón y el sustrato si la diferencia de potencial entre ellos es

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reforzada súbitamente. Esto puede causar daño a la película depositada. Cuando ocurre un daño de este tipo con corriente directa se le llama mousebite.

d) Interacciones entre el blanco y el escudo del magnetrón. Estos arcos se hacen cuando se tiene una baja impedancia y se pueden formar desde el blanco a tierra (usualmente con un espacio oscuro en el escudo), por un trastorno directo del gas en el espacio intervenido o por la presencia de un puente conductor como puede ser una "escama u hojuela" del material depositado. Estos arcos o cortos pueden producirse en ambas direcciones e invertir el voltaje del blanco sin que sea seguro apagarlos.

En general, los arcos son causados por: partículas contaminantes que están sobre la superficie del blanco o sobre estructuras cercanas, la contaminación aislante sobre el blanco debida a veces a la redeposición de la corriente de vapor sobre la superficie del blanco, irregularidades microscópicas o inclusiones dentro de la superficie del blanco u otros componentes del magnetrón capaces de emitir un campo, y por sustancias reactivas en el gas residual, que pasan inadvertidas en la alimentación de gas o se introducen por un mal vacío dentro de la cámara, formando compuestos aislantes con el material del blanco.

2.8 La erosión iónica para fabricar espejos de primera superficie

Con el manejo de esta tecnología se buscaron los siguientes objetivos:

• Principalmente, construir espejos de aluminio de primera superficie con un perfil parabólico, para los concentradores de la planta termosolar del Instituto de Ingeniería, UNAM, sobre sustratos de vidrio comercial cal-sosa flotados de 3 mm de espesor.

• Desarrollar tales espejos mediante la tecnología de erosión iónica al alto vacío con magnetrón plano, y con la posibilidad de usar la técnica de evaporación con filamento para la fabricación de la película reflejante.

• Lograr que la vida útil de los espejos fuera de al menos 10 años y con una reflectividad mínima de 0.85; además de que se montaran en campo para quedar expuestos a las condiciones atmosféricas de la ciudad de México.

• Utilizar, para la construcción de los espejos, materiales accesibles en México y de bajo precio, y determinar además su costo de fabricación como proyecto experimental.

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A continuación, se da una descripción general de la metodología de operación para todo el equipo que interviene en el proceso de fabricación de los espejos destinados para los concentradores de tipo canal parabólico del Instituto de Ingeniería. Se comenzó con espejos planos para corroborar las condiciones de operación tales como el vacío, tiempo de depósito, potencia de la fuente de alimentación, espesores de las películas, etc, determinadas en las etapas anteriores de este trabajo (evaporación con filamentos y uso de cañones de electrones). Cuando ya se tuvieron los parámetros óptimos que permitieron producir los mejores espejos de aluminio de primera superficie, se utilizaron espejos cóncavos para los concentradores de la planta solar del Instituto.

2.8.1 Descripción del equipo

Como ya se mencionó, la técnica de depósito para la fabricación de películas delgadas que se empleó fue la de erosión iónica con magnetrón plano (planar magnetrón sputtering), la cual requiere de equipos de laboratorio complejos, por lo que para describirla, los equipos se han agrupado en diferentes sistemas según la función que desempeñan:

• Sistema de doblado de vidrio. Un molde de lámina de acero inoxidable, dos moldes de masa-roca y un horno de 6 750 W cuya temperatura máxima fue de 700 ºC ± 12 ºC y capacidad de 0.36 m3.

• Sistema de limpieza. Cátodo para descarga luminosa, hecho con una barra circular de aluminio de 90 cm de diámetro, y fuente de corriente directa de alto voltaje (5 000 V y 1 A).

• Sistema de bombeo o vacío. Bomba rotatoria de desplazamiento positivo con sellos de aceite, marca Sargent Welch, modelo 1397, impulsada por un motor eléctrico monofásico de 754 W (1 hp) y capacidad de 500 L/min, presión mínima de 1.3 Pa (1.3 x 10-2 mbar); bomba de difusión, marca Leybold, con capacidad de 4 000 L/s, y aceite siliconado de baja presión de vapor tipo DG 704, marca Varian, especial para alto vacío; con ella se alcanza a mantener una presión absoluta mínima constante de 10-3 Pa.

• Sistema de erosión iónica o sputtering: Cámara de vacío cilíndrica, de acero al carbón, con diámetro de 1.35 m y 1.55 m de longitud. Fuente de corriente directa, marca Advanced Energy, modelo MDX-1.5k, cuyas especificaciones eléctricas son: potencia máxima de salida 1500 W; voltaje de salida 1600 V (en voltaje de

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choque), voltaje de ignición (del plasma al alto vacío) 900 V, 1200 V, alimenta-ción 208/220 V de corriente alterna, 50/60 Hz ± 10 %, 13.4 A, factor de potencia de 0.6, impedancia estándar, regulación 0.2 % de variación, tiempo de suministro de magnitud de control de 1 a 10 segundos o 1 a 10 minutos. Fuente de radiofre-cuencia, marca Advanced Energy, modelo RFXII-1250, con las siguientes especificaciones eléctricas: frecuencia de 13.56 MHz ± 0.005 %, potencia de salida máxima de 1250 W en 50 Ω, alimentación de 220 V corriente alterna, tres fases, 50/60 Hz y 12 A. Utiliza agua como refrigerante con un flujo mínimo de 3.78 L/min (1 gal/min) a una temperatura máxima de 25°C. Acoplador de impedancias (impedance-matching network), marca Advanced Energy, modelo AZX-10, que consta de dos partes: el sintonizador y el módulo de control de sintonía (MCS), tiene desempeño de hasta 100 kVA, potencia reflejada menor del l % del intervalo entre 150 W y 2 500 W, frecuencia de 13.56 MHz, potencia de entrada para el control de 24 V, 2 A, tiempo típico de sintonización de un segundo, y todo el sistema requiere agua de enfriamiento con un flujo mínimo de 75.7 L/h (20 gal/h) a una temperatura máxima de 27°C. Dos magnetrones planos rectangulares como cátodos del tipo sunsource, marca Materials Science. Un blanco de cuarzo y otro de aluminio de alta pureza.

• Sistema de control de presión: Medidor analógico marca Pennwalt, modelo TB-3, intervalo de medición desde presión atmosférica de 75.5 kPa hasta 1.3 Pa. Medidor digital de cátodo frío, con intervalo de medición de 2 a 1 x 10-4 Pa. Válvula de aguja para nivelar presión. Válvula de control de presión. Tanque de 14 litros con argón grado cromatográfico, marca Linde, pureza mínima de 99.998 %, presión inicial de 13 790 kPa. Un tanque de 14 litros con oxígeno grado UAP SD (ultra alta pureza), marca Linde, pureza mínima de 99.8 %; presión inicial de 13 790 kPa. Tanque esférico de 0.61 litros de volumen, que soporta una presión máxima de 12 257 kPa (125 kg/cm2); en él se hace la mezcla de los gases mencionados anteriormente.

• Sistema de movimiento mecánico: Motor eléctrico marca Dayton de 50 W (1/15 hp), alimentación de 110 V, monofásico. Soporte del espejo, que incluye barras de acero inoxidable como ejes de movimiento, para el desplazamiento del soporte del vidrio.

Además, se cuenta con los equipos de control de calidad usados para probar, bajo condiciones normales y extremas de operación, el desempeño de cada espejo elaborado:

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una cámara de intemperismo, un medidor de reflectividad, un medidor de energía solar (piranómetro) y un multímetro para medir la concentración de los espejos.

Todos ellos son necesarios para la fabricación de los espejos de primera superficie aplicables al aprovechamiento de la energía solar, con miras a una producción industrial por medio de la tecnología de erosión iónica con magnetrón plano.

2.8.2 Erosión iónica del aluminio

Para fabricar la película reflejante en los espejos de primera superficie (Martínez, 1997), se utilizó un magnetrón plano con blanco de aluminio (99.99 % de pureza), tamaño 12.7 x 25.4 cm (5 x 10 plg) y 1.3 cm (1/2 plg) de espesor.

Antes de dar paso a la alimentación de energía, se debe ajustar la presión de operación con argón, siguiendo el mismo procedimiento que el usado para la descarga luminosa; después de muchas pruebas, se fijaron valores que pueden oscilar desde 5 x 10-2 Pa (5 x 10-4 mbar) hasta 7.5 x 10-2 Pa (7.5 x 10-4 mbar). El valor mínimo de presión se determinó por prueba y error en 4.8 x 10-2 Pa (4.8 x 10-4 mbar), ya que con presiones más bajas no se daba el halo luminoso, es decir, la cantidad de moléculas de argón presentes en la cámara era tan baja que no era suficiente para crear la corriente de electrones secundarios y, por tanto, el plasma necesario con el cual se inicia la erosión iónica; mientras que el máximo valor se fijó en esa cantidad, para trabajar a las presiones más bajas posibles, ya que cuanto más alto es el vacío mejor calidad se obtiene de película reflejante.

Cuando ya se tienen las condiciones de presión adecuadas, es muy importante el agua de enfriamiento para los magnetrones y la placa de cobre con la que se refrigera el sustrato. Para llevar a cabo esta parte del experimento, primero hay que revisar que las conexiones de la fuente de corriente directa hacia el magnetrón con blanco de aluminio estén colocadas debidamente (tanto las tierras físicas, como los cables que conducen la energía de alimentación). Una vez hecho esto, se acciona el interruptor principal de la fuente de CD que se encuentra en la parte posterior de la misma; luego se enciende el interruptor frontal, y se presiona el botón de setpoint para ajustar los valores iniciales de operación, cuyo control puede ser con potencia, voltaje o cantidad de corriente. El experimento se llevó a cabo controlando la potencia, dando un valor inicial de 150 W que fueron suministrados paulatinamente al sistema en un tiempo de 8 segundos.

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Una vez ajustados los valores, se acciona el botón de encendido con el cual se da el paso de energía de la fuente de CD al magnetrón, y si no hay ningún problema, la potencia sube rápidamente prendiéndose el indicador de plasma. En ocasiones, se forman arcos eléctricos entre la placa que sirve como blanco y el escudo del magnetrón o entre dicha placa y el plasma de argón. Como la fuente cuenta con un detector de dichos arcos, mientras ocurren, el indicador se enciende constantemente alrededor de tres minutos, para luego entrar en estado estable. Esto sucede siempre que se enciende el magnetrón con blanco de aluminio; las impurezas del ambiente y el óxido de aluminio son las causas.

Cuando se lleva a cabo la erosión iónica de aluminio en alto vacío, la superficie del blanco queda con el material en estado puro; sin embargo, al abrir la cámara y dejarla expuesta a la atmósfera, entra aire cuyo oxígeno reacciona con el aluminio de la superficie creando una capa de óxido de aluminio (Al2O3), la cual tiene varios nanómetros de espesor. Por lo que al formarse el plasma de argón, los cationes tienen que destruir la capa formada evaporándola primero; con ello las condiciones del sistema cambian y tienen que pasar varios minutos (de 5 a 90 minutos) antes de eliminarla por completo. Es entonces cuando se inicia la erosión iónica o sputtering del aluminio. En ese momento, manteniendo la potencia constante, el voltaje sube rápidamente y la cantidad de corriente baja ligeramente, hasta llegar al estado estacionario con el cual ya se trabaja.

Posteriormente, se acciona el motor que mueve el carro que soporta al vidrio, de manera continua pasando enfrente al magnetrón lo más lento posible una y otra vez en un intervalo de tiempo que va de 15 a 20 minutos aproximadamente; tiempo que depende del espesor deseado.

La potencia de la fuente de corriente directa se va variando desde 350 a 400 W, en función del espesor requerido de la película de aluminio y la cantidad de corriente que el sistema va demandando. La corriente empleada para erosión iónica de aluminio se ubica en un intervalo que va desde 0.52 hasta 0.72 A. De acuerdo con el resultado de las pruebas, no es conveniente darle más potencia, ya que la fuente podría sobrecalentarse.

Cuando se ha cumplido con el tiempo planeado, se baja la potencia de la fuente de CD poco a poco hasta llegar a cero, se acciona el interruptor de apagado para interrumpir el

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paso de energía hacia el magnetrón y luego el interruptor frontal para apagarla, dejando que el ventilador funcione por unos minutos más para enfriar adecuadamente todos sus componentes, así como el agua de enfriamiento de los magnetrones se deja circular un rato más. También se cierran la válvula de control de presión y la válvula de salida del regulador de presión del tanque de argón.

Después de unos minutos de haber terminado con la erosión iónica del aluminio, se apaga el interruptor principal de la fuente de CD y se corta el agua de enfriamiento de los magnetrones y de la placa de cobre. El flujo de agua de enfriamiento sólo se interrumpe en el caso de que no se lleve a cabo la erosión iónica del cuarzo para la formación de una película protectora.

Otra de las variables por considerar, que es de las más importantes, es la distancia que hay entre electrodos, ya que la cantidad de corriente y el voltaje se dan en función de dicha distancia y de la presión dentro del la cámara. Después de varias pruebas se determinó que la distancia óptima era de 13.5 cm; sin embargo, el sistema trabajaba perfectamente en el intervalo de 10 a 16 cm de separación.

En la tabla 2.6, se describe una corrida típica de la erosión iónica de aluminio en condiciones óptimas de operación.

TABLA 2.6 DATOS DE OPERACIÓN PARA UNA CORRIDA TÍPICA EN LA QUE SE FORMA UNA CAPA REFLEJANTE DE ALUMINIO

Presión, en Pa

Potencia, en W

Corriente, en A

Voltaje, en V

Tiempo, en min

Comentarios

8.0 x 10-2 150 0.68 212 0 Halo luminoso de inmediato

6.1 x 10-2 200 0.91 216 3

6.2 x 10-2 250 1.08 230 10

6.3 x 10-2 300 1.08 279 29

6.3 x 10-2 300 0.55 539 30 Comienza la erosión iónica

6.1 x 10-2 350 0.63 549 33 Vidrio enfrente del magnetrón

6.5 x 10-2 350 0.63 550 50 Película de Al completa

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2.8.3 Erosión iónica del cuarzo (SiO2)

Para fabricar la película protectora se utilizó un magnetrón plano con blanco de cuarzo (SiO2 al 99.99 % de pureza) con tamaño de 12.7 x 25.4 cm (10 x 5 plg) y espesor de 0.65 cm (1/2 plg). Para llevar a cabo la erosión iónica del SiO2 se utilizó una fuente de radio frecuencia con una potencia máxima de 1.25 kW, con el cátodo inmerso en una mezcla gaseosa reactiva de 70 % argón (grado cromatográfico, 99.998 % de pureza) y 30 % oxígeno (grado ultra alta pureza, 99.99 %).

Al determinar esta proporción, se tuvieron que hacer muchas pruebas con diferentes proporciones de cada gas; además, en un principio, cada tanque de gas tenía su propia línea con su propia válvula de control de presión, las cuales llegaban a una unión T antes de entrar a la cámara de vacío, lo cual no dio buenos resultados para el control de presión, por lo que se decidió cambiar el sistema. El procedimiento seguido para elaborar la mezcla de gases, después de todas las modificaciones al sistema, es el siguiente:

Se cierran todas las válvulas del sistema de control de presión, excepto las válvulas del manifold y la válvula de paso de entrada del tanque esférico. Se conecta la bomba de vacío Varian CD-300, la cual desecha todo el gas que se encuentre en las líneas de este sistema y en el tanque esférico, durante aproximadamente 10 minutos.

Una vez hecho el vacío, se cierra la válvula azul del manifold y se desconecta la bomba; enseguida, se abre la válvula de paso del tanque con oxígeno y se regula la presión hasta 172.4 kPa (1.76 kg/cm2); se deja así unos tres minutos y se cierra la válvula de paso.

Se abre la válvula de paso del tanque con argón, cuidando de que la presión a la salida del regulador sea superior a la existente en el tanque esférico; se regula la presión hasta que alcance valores de 861.8 kPa (8.79 kg/cm2); también se deja así durante tres minutos y luego se cierra la válvula de paso del tanque con argón y la válvula roja del manifold. De esta manera se deja abierta la válvula de paso del tanque esférico, el cual queda aislado del resto del sistema y conectado directamente a la válvula de control de presión.

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Una vez hecha la mezcla ya se puede empezar a trabajar con el magnetrón con blanco de cuarzo, además de que la presión dentro de la cámara de vacío ya está en valores de 1 x 10-3 Pa (1 x 10-5 mbar).

Al alcanzar la cámara la presión anterior, se enciende la fuente de radiofrecuencia (RF), se abren las llaves para el agua de enfriamiento, de la placa de cobre (que soporta al sustrato de vidrio) y de la fuente de radiofrecuencia. La llave de agua de enfriamiento de los dos magnetrones ya debe estar encendida desde la evaporación del aluminio. Se abre la válvula que controla el paso del gas de trabajo y se ajusta hasta que el indicador digital marque 8 x 10-1 Pa (8 x 10-3 mbar), en ese momento se activa el interruptor de la fuente de RF para darle carga al magnetrón y se ajusta, a 3 W, el indicador de potencia de entrada (set point); en ese momento se forma el plasma dentro de la cámara de vacío.

Una vez que el magnetrón se ha encendido y se forma el plasma (inicio del halo luminoso), se ajusta la presión para que oscile entre 2.0 x 10-1 Pa (2.0 x 10-3 mbar) y 2.8 x 10-1 Pa (2.8 x 10-3 mbar). Poco a poco se incrementa la potencia a una velocidad de aproximadamente 2 W/s hasta llegar a un total de 800 W. La potencia a la cual se hace el depósito puede variar de acuerdo con la rapidez de erosión del cuarzo que se quiera y a las variaciones de presión que puedan existir dentro de la cámara; el intervalo típico de potencia de operación que se utilizó fue de 700 a 900 W.

El tiempo del proceso de deposición se comenzaba a contar desde el momento en que el espejo se colocaba justo enfrente del magnetrón, ya que durante el proceso de arranque estaba colocado de manera que el haz de plasma no le afectara.

Ya que el espejo está enfrente del magnetrón, se acciona el motor de movimiento hacia un lado y otro a la mínima velocidad posible, de tal forma que el espejo pase varias veces enfrente del blanco de cuarzo. En ocasiones, el motor se ve afectado por la radiación electromagnética que se refleja de la cámara, de manera que éste no se puede controlar bien, por lo que la velocidad de movimiento se incrementa.

Durante todo el proceso de deposición del cuarzo hubo que controlar manualmente la presión, ya que nunca está estable; además hay que vigilar el valor de potencia reflejada que no debe ser mayor de 1% de la potencia que indica el punto de entrada. Se observó que al colocar un ventilador externo para enfriar la fuente, ésta trabajaba mejor al no

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calentarse tanto y el interruptor térmico no se accionaba tan fácilmente; así se puede trabajar a 950 W durante más de una hora.

Las condiciones de operación fueron diversas, por lo que se hicieron muchas pruebas hasta determinar qué factores eran los más influyentes para la formación de una buena película de cuarzo que cumpliera con las condiciones deseadas. Al término del experimento, se debe disminuir la potencia paulatinamente hasta llegar a cero. En ese momento se accionaba el interruptor de paro y se apagaba el controlador del acoplador de impedancias. Si la fuente está muy caliente, el interruptor principal no se debe apagar hasta que se enfríe y el agua de enfriamiento se deja circular durante unos minutos más. Posteriormente se cierran las válvulas que permiten la entrada del gas y, al mismo tiempo, se desconectan las resistencias que calientan el aceite de la bomba de difusión para que deje de operar.

El agua de enfriamiento de la bomba de difusión sigue circulando, así como la bomba rotatoria hace su labor de auxiliar. Cuando el aceite está frío, se cierran las llaves del agua de enfriamiento y se apaga la bomba rotatoria. Para evitar que el producto final fuera afectado por cambios de presión y temperatura rápidos, la cámara de vacío no se abría hasta el día siguiente y así no se dañaba la película de aluminio-cuarzo formada.

El espejo se dejó en total 60 minutos enfrente del magnetrón. La presión es difícil de controlar, por lo que se trabajó con un intervalo de tolerancia de ± 0.05 Pa alrededor de 0.22 Pa. El parámetro que se trató de mantener constante fue la polarización de los electrodos (DC bias), por lo que la potencia de alimentación variaba un poco entre cada corrida para un mismo valor del bias. Conforme se hacían más pruebas, el comportamiento del equipo mejoraba, con la condición de no abrir la cámara de vacío por más de dos horas. Algunas veces, se notaba la formación de zonas con forma esférica más iluminadas que el resto del espacio en la cámara, esto por la formación de plasma en dichas zonas.

La tabla 2.7 presenta una corrida típica de la erosión iónica del cuarzo en condiciones óptimas de operación. En ella se dan diversos puntos de lectura a una potencia media para describir el comportamiento en un amplio intervalo.

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TABLA 2.7 DATOS DE OPERACIÓN EN UNA SESIÓN TÍPICA DONDE SE DEPOSITA LA CAPA PROTECTORA DE CUARZO (SIO2)

Presión (Pa)

Potencia alimentada

(W)

Potencia reflejada

(W)

Potencia prestablecida

(W)

*DC bias (V)

Plasma Tiempo (h: min: s)

Comentarios

0.80 5 1 3 +01 no 00 :00 :10 0.21 102 1 100 -12 no 00 :01 :10 0.22 202 1 200 -24 si 00 :02 :10 0.26 313 1 310 -35 si 00 :04 :00 0.18 402 1 400 -36 si 00 :04 :55 0.25 502 1 500 -42 si 00 :05 :55 0.26 603 1 600 -50 si 00 :06 :50 0.19 703 1 700 -57 si 00 :07 :50 0.24 763 1 760 -60 si 00 :09 :20 0.20 783 1 780 -61 si 00 :10 :20 0.20 783 1 780 -60 si 00 :11 :00 Se inicia depósito0.24 703 1 700 -60 si 00 :13 :00 0.20 713 1 710 -61 si 00 :18 :00 0.26 723 1 720 -61 si 00 :22 :00 0.24 723 1 720 -62 si 00 :43 :00 0.19 723 1 720 -62 si 00 :56 :00 0.19 723 1 720 -61 si 01 :11 :00 Fin de prueba

* Polarización entre electrodos

Con las siguientes definiciones:

Presión (Pa). Establece el valor registrado en el punto donde se encuentra el sensor de presión dentro de la cámara de vacío, por lo que se supone que la presión en la zona de los magnetrones será ligeramente mayor.

Potencia alimentada (W). Se refiere a la cantidad de energía por unidad de tiempo en que la fuente alimenta al magnetrón.

Potencia reflejada (W). Se refiere a la cantidad de energía que se refleja hacia la fuente, por lo que se resta a la potencia alimentada.

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Potencia prestablecida (W). Se refiere al valor que el usuario fija en la fuente y equivale a la potencia alimentada menos la reflejada.

DC bias (V). Es la diferencia de potencial establecida entre electrodos, tiene un valor negativo ya que el punto de referencia es la alimentación de energía a cátodo.

Plasma. Se refiere a la formación del plasma dentro de la cámara de vacío.

La erosión del cuarzo presentó un comportamiento más sensible a la separación entre electrodos, ya que las condiciones de presión variaban ligeramente. Sin embargo, el proceso de evaporación se llevaba a cabo de manera satisfactoria en el mismo intervalo que la erosión del aluminio (de 10 a 16 cm de separación), con ligeros ajustes a la presión. Este último parámetro es muy importante, ya que de él depende la curvatura máxima (longitud de la flecha de curvatura) que podrá tener un vidrio para la fabricación de espejos parabólicos.

Se fabricaron 20 espejos cóncavos y cinco planos con vidrios comerciales, en ocho meses de trabajo. No todos fueron satisfactorios, ya que algunos salieron con tonalidad blanca por el exceso de aluminio y otros transparentes por la falta del mismo elemento. Poco a poco, al modificar las condiciones de elaboración de las capas reflejante y protectora, se obtuvieron resultados más alentadores, hasta que se cumplió con el objetivo del experimento al fabricar el concentrador montado en campo. Estos espejos tienen una película protectora de cuarzo que presenta una baja absorción de la radiación UV y visible, tanto para espejos planos como para espejos curvos.

2.8.4 Dificultades surgidas en los experimentos

Debido a que en el proceso de erosión iónica, el 95 % de la energía de los iones que bombardean al blanco se pierde en forma de calor a lo largo de toda la placa y sólo el 5 % se aprovecha para generar iones secundarios que están relacionados con átomos evaporados (Pulker, 1984), el sistema de enfriamiento con agua dentro de los magnetrones se vuelve indispensable para disipar el calor generado en la superficie y transmitido al interior, lo que incluye la protección de los imanes permanentes.

Durante uno de los experimentos falló el suministro de agua de enfriamiento y el magnetrón se sobrecalentó durante un periodo aproximado de 30 minutos, de tal forma

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que los imanes permanentes sufrieron un aumento de temperatura, por lo que la densidad del campo magnético disminuyó aproximadamente un 17 %, de un valor de 300 Gauss a 250 Gauss en promedio. Con esos valores, la densidad iónica de la zona del plasma que estaba junto al blanco no era suficiente para provocar la erosión de la placa de aluminio, por lo que se tomó la decisión de cambiar a otra técnica de evaporación.

Es de suma importancia mantener la cámara de vacío en buenas condiciones de limpieza para evitar la formación de arcos u otros fenómenos.

Se observó que durante la evaporación reactiva de cuarzo, con fuente de radiofrecuencia, se producían algunos arcos entre el plasma y el blanco, entre el blanco y el escudo del magnetrón, y ocasionalmente entre el plasma y la cámara de vacío.

Dichos arcos se debían a depósitos de residuos de sustancias orgánicas adsorbidos en las paredes de la cámara de vacío y cuerpo del magnetrón. Para corregir este defecto, se hizo una limpieza exhaustiva con agua y alcohol isopropílico de todo el interior de la cámara, junto con una descarga luminosa intensa durante una hora; de esta forma se eliminaron las descargas y las subsiguientes evaporaciones reactivas de cuarzo procedieron sin problemas.

En general, se comprobó que las condiciones óptimas de operación para la fabricación de la película protectora de cuarzo son las que se expresan en la tabla 2.8, las cuales se mantuvieron prácticamente constantes aun antes de la limpieza total.

TABLA 2.8 PARÁMETROS TÍPICOS PARA LA FABRICACIÓN DE PELÍCULA DE SIO2 CON MAGNETRÓN PLANO

Parámetros Valores

Presión de arranque 0.85 Pa (8.5 x 10-3 mbar)

Presión de operación 0.3 Pa ±0.03 Pa (3.0 x 10-3 mbar) Potencia de evaporación 900 W (para un blanco de 5 x 10 plg y ¼ plg espesor) Potencial entre electrodos (DCbias) > -060 V Potencia reflejada < 1 % de la potencia de evaporación Tiempo de exposición 50 minutos Composición del gas 70 % argón – 30 % oxígeno Tamaño del sustrato 0.3 x 0.6 m

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Por otro lado, hay que tener cuidado de ajustar la distancia que hay entre el escudo y el blanco, que en el caso del aluminio fue de 4 mm y en el del cuarzo de 5 mm. Una vez que dicha distancia es uniforme, el riesgo de arco se minimiza. Hay que mencionar que conforme se van haciendo más evaporaciones, más probabilidades hay de que se acumule un poco de material entre los dos elementos ya mencionados y formen un contacto que provoque corto circuito, por lo que hay que limpiar periódicamente al magnetrón para evitar estos problemas.

2.8.5 Método alternativo para la evaporación de aluminio

Como ya se mencionó, cuando se habló de la evaporación térmica, otra manera de llevar a cabo la evaporación del aluminio es mediante el calentamiento de un filamento de tungsteno o molibdeno colocado entre dos electrodos de cobre.

Debido a la disminución del campo magnético de los imanes del magnetrón con blanco de aluminio (pureza 99.99 %), al momento de fabricar los espejos curvos para los concentradores se utilizó el calentamiento indirecto de alambre de aluminio (pureza de 99.99 %) colocado en un filamento de tungsteno (W) (fig 2.10), en forma de espiral (doce vueltas totales) entre dos barras de cobre de 1 cm de lado, que funcionaban como electrodos.

Se le conectaban dos cables de cobre a las barras sin aislamiento calibre 0 AWG, con diámetro de 9.525 mm (3/8 plg) y 7 hilos con diámetro de 3.175 mm (1/8 plg) cada uno, cuya alimentación se hacía a través de una brida especial, cuyas salientes de cobre (barras atravesadoras) se conectaban a una fuente de soldar con generador.

La fuente de soldar se trabajó a un promedio de 280 A y 40 V durante un intervalo promedio de tiempo de 4~5 minutos, valores necesarios para provocar el calentamiento del filamento y consecuentemente la fusión y evaporación del alambre de aluminio.

Fig 2.10 Esquema de colocación del alambre de Al en el filamento de W

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En este procedimiento, se debe tener mucho cuidado de colocar la cantidad exacta de aluminio en cada espira del filamento, ya que si se sobrepasa, al formarse la gota de aluminio puede caer sin llegar a evaporarse.

La eficiencia de evaporación del aluminio fue de aproximadamente del 60 %, es decir, que 40 % del aluminio se desperdicia al caer cuando se funde. Por otro lado, no todo el aluminio evaporado llega a depositarse sobre sustrato, ya que se pierde por lo menos el 80 % al depositarse en el resto de la cámara de vacío. Al tomar en cuenta las consideraciones anteriores se tiene un rendimiento máximo del 10 % global.

Procedimiento seguido para evaporación con filamento de tungsteno:

1) Se prepara todo el sistema de vacío hasta llegar a la presión más baja posible (≤ 5.5 x 10-4 mbar).

2) Se conectan los electrodos de la fuente de soldar a los atravesadores de la brida colocada en la boquilla 4 (fig 2.11).

3) Se enciende la fuente de soldar y se espera un minuto con el regulador en el mínimo.

4) Se comienza a mover el regulador de la fuente para incrementar poco a poco la alimentación al filamento de W.

5) Cuando el filamento se enciende se deja fijo el regulador y se espera un minuto.

6) Se incrementa un poco la alimentación hasta que el aluminio se funda y comience a hervir.

7) Cuando hierve, el soporte móvil donde se encuentra el sustrato de vidrio, debe moverse rápidamente de un extremo al otro durante dos minutos.

8) Al acabarse el aluminio se da por concluida la evaporación y se ejecuta el procedimiento para la evaporación reactiva de cuarzo.

Es muy importante tener contacto visual con el filamento de W, de forma que se puedan identificar en cada momento de la evaporación los pasos por seguir. Si se da más carga a los electrodos, las gotas de aluminio formadas hierven tan violentamente, que se caen del filamento y no se pueden recuperar.

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Fig 2.11 Diagrama del sistema de vacío. A la derecha de la cámara de vacío se

encuentran la bomba de difusión y la bomba mecánica, respectivamente

TABLA 2.9 DATOS DE UNA CORRIDA TÍPICA PARA LA EVAPORACIÓN CON FILAMENTO DE W

Parámetros Valores

Cantidad de aluminio ~ 0.4 g Cantidad de corriente 280 A Diferencia de potencial 40 V Tiempo de evaporación 4 minutos Eficiencia 10 %

La ubicación de los filamentos se hizo a una distancia tal que dividían al espejo en tres partes, es decir, a 10 cm de los bordes del espejo. La razón de dicha ubicación se debió a que de esta manera se tendría una evaporación uniforme sobre el sustrato de vidrio y, por tanto, una película más homogénea. Los parámetros de esta evaporación se dan en la tabla 2.9.

2.8.6 Limpieza del sustrato de vidrio

Una vez dada la curvatura a los vidrios se procedía a la limpieza exhaustiva de los mismos. El proceso de limpieza requiere que se rompan los enlaces entre las moléculas contaminantes, así como los enlaces entre estas moléculas y el vidrio. De manera que la técnica elegida depende de los componentes del sustrato, del tipo de impurezas y del

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grado de limpieza que se quiere lograr. Si no hay buena limpieza, la vida útil del espejo se reduce considerablemente, ya que la adherencia de la película reflejante en él no será muy favorable, por lo que no aguantará mucho tiempo a la intemperie (Ramírez, 1990).

El método que se utilizó para llevar a cabo la limpieza es el siguiente:

1) El vidrio se lava con detergente y agua corriente (algunas veces con agua destilada), se talla con una esponja suave para no rayarlo. Una vez limpio, se seca con una pistola industrial de aire caliente.

2) Se introduce en un baño de mezcla crómica (H2SO4+K2Cr2O7+H2O) a una temperatura aproximada de 80°C, durante un intervalo de tiempo de 20 a 30 minutos.

3) Se saca del baño y se lava con agua (de preferencia destilada) cuidando de no mandar al drenaje los residuos de la mezcla. Se seca con aire caliente.

4) Una vez seco, se introduce en un baño de alcohol isopropílico, y se le da una ligera frotada con guantes de plástico durante 5 minutos, para que con un esfuerzo mecánico se eliminen las posibles impurezas que aún estén adheridas al vidrio.

5) Finalmente se seca nuevamente con aire caliente y con un paño suave seco (franela limpia).

La mezcla crómica se prepara disolviendo dicromato de potasio (K2Cr2O7) en una mezcla con 80 % de ácido sulfúrico (H2SO4) y 20 % de agua. Las cantidades utilizadas fueron: 400 mL de H2O, 1600 mL de H2SO4 y 50 g de K2Cr2O7; para dar un total de 2 L de mezcla crómica cuya coloración es rojo oscuro por la presencia del ion Cr6+, agente oxidante muy poderoso que se reduce a Cr3+ conforme se utiliza y reacciona con materia orgánica haciendo que parte de ella se transforme en compuestos solubles en agua. La mezcla cambia su coloración a verde claro ya que predomina la presencia del ion Cr3+. Ambos iones son tóxicos, por lo que cuando la mezcla ya no sirve tiene que confinarse o dársele un tratamiento basado en sales de hierro, después de lo cual queda un polvo que se confina por su toxicidad.

Para comprobar la limpieza del sustrato de vidrio, se le hace la prueba de mojado con agua (water break test): Si un sustrato limpio se extrae de un recipiente con agua pura,

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una película continua de agua permanecerá en su superficie. Lo cual indica que hay un buen mojado entre el sustrato y el agua.

Una vez limpio el vidrio, se coloca en el soporte de placa de cobre adaptado sobre el carro que se encuentra en el interior de la cámara de vacío, se fija con unos pequeños sujetadores fabricados de alambre de acero en el Instituto de Ingeniería. Una vez fijo, se cierra la puerta de la cámara de vacío con los pernos y tuercas correspondientes.

2.8.7 Generación de vacío y limpieza con descarga luminosa

Al cerrar la cámara de vacío y comprobar que las demás válvulas están cerradas, se abre la válvula V3 (fig 2.11), y se encienden la bomba rotatoria y el medidor analógico de presión. Después de una hora de bombeo se observa que la presión está en 20 Pa (200 µm de Hg), en ese momento se conecta la bomba de difusión y se abren las válvulas para la circulación del agua de enfriamiento de dicha bomba. Después de media hora, el aceite de la bomba ya está lo suficientemente caliente como para generar vacío, por lo que se cierra la válvula tres y se abre completamente la válvula V2, que se encuentra en la línea de unión de la bomba de difusión y la bomba mecánica; de esta manera la bomba rotatoria funciona como bomba auxiliar para la bomba de difusión.

La válvula V1, que se encuentra entre la cámara de vacío y la bomba de difusión, se abre ligeramente (tres vueltas) para poder hacer la limpieza con descarga luminosa. La limpieza se hace de la siguiente manera: una vez que el indicador de presión analógico llegó al mínimo, se abre la válvula de salida del regulador de presión del tanque con argón y la válvula roja del manifold; posteriormente se abre la válvula de control, con la cual se ajusta la presión en el interior del tanque en un intervalo de 1.33 a 2.66 Pa (10 a 20 µm de Hg). Después de que se alcanza esta presión, se enciende la fuente de corriente directa para la descarga luminosa y se ajusta en 3000 V para luego controlar la cantidad de corriente en aproximadamente 0.5 A con la válvula de control de flujo de gas, que está en la boquilla 5 (fig 2.11).

Si se presentan arcos y chispas en el interior de la cámara de vacío, se baja la intensidad del voltaje, así como la presión de trabajo, hasta que desaparezcan y pueda trabajarse a las condiciones descritas inicialmente. La descarga se aplica en un intervalo de tiempo que generalmente va de 15 a 30 minutos, dependiendo de las condiciones a las que estuvo expuesta la cámara mientras estaba abierta.

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Para finalizar esta limpieza, se cierra la válvula que regula la entrada de gas y se espera a que baje la presión para apagar la fuente de alto voltaje. Una vez apagada, se deja completamente abierta la válvula V1 (fig 2.11), se apaga el indicador analógico de presión y se enciende el indicador digital. Además se agregan aproximadamente 10 L de nitrógeno líquido a la parte superior de la bomba de difusión para facilitar la conden-sación de los gases y para que la presión sea más baja, y dé un mejor vacío. Una vez que el indicador de presión marca 4.0 x 10-3 Pa (4.0 x 10-5 mbar), se puede decir que el equipo está listo para iniciar el experimento, aunque es recomendable esperar a que la presión baje aún más.

Durante la limpieza con descarga luminosa, se llevan a cabo los siguientes fenómenos superficiales (Brawn, 1970):

• Calentamiento directo del interior de la cámara debido al choque de partículas cargadas.

• Desorción de impurezas por el bombardeo continuo de electrones, de iones de baja energía y de partículas neutras.

• Modificación de la superficie del vidrio por la adición continua de las partículas que conforman el plasma.

2.8.8 Pruebas de intemperismo

Dado que el objetivo es la construcción de espejos de alta calidad y gran durabilidad, para constituir así una opción rentable y alternativa en la generación de electricidad, es necesario asegurarse de su desempeño bajo condiciones climáticas adversas. Con ese fin, se efectuaron pruebas de intemperismo para examinar las propiedades de tales espejos y predecir su comportamiento una vez en operación. Se realizaron estas pruebas con más de 100 espejos, incluyendo los fabricados tanto con cañones de electrones como con magnetrones. Se siguieron dos tipos de experimentos:

• Exposición de los espejos al medio ambiente

• Exposición de los espejos a condiciones extremas simuladas en el laboratorio

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La primera opción es más adecuada, pero requiere mucho tiempo, así como diversas locaciones para analizar diferentes variables. Por consiguiente, se dio mayor impor-tancia a la simulación de pruebas de intemperismo bajo condiciones extremas.

En este estudio, la idea principal fue examinar las propiedades de los espejos de primera superficie de Al-SiO2 y asegurarse de la protección a la corrosión que debe brindar la película de SiO2. La degradación se estimó por cambios en la apariencia física y en la reflectividad. Para ello, antes de cada prueba se registraban su correspondiente reflectividad y algunas imperfecciones que pudieran presentar; por ejemplo, presencia de rayones, microagujeros, etc. Las pruebas seleccionadas para evaluar la calidad de los espejos son (Masterson et al, 1983; Dennis y Mc Gee, 1980):

a) Pruebas con humedad. La cámara de intemperismo empleada en estos experimentos está hecha de acero inoxidable y materiales aislantes. Sus dimensiones internas son 1 m de largo, 1 m de ancho y 1 m de alto. Se encuentra conectada a un humidificador ultrasónico, marca Samsung, modelo HU-820A, que se encarga de producir el vapor de agua necesario para generar y mantener la humedad deseada. La humedad relativa (HR) se mide con un indicador de humedad y temperatura HMI31, marca Vaisala, y se controla con sólo ajustar el volumen del vapor que entra a la cámara. Para evitar pérdidas de humedad, la tapa está sellada con empaque de hule. Cuenta además con una resistencia eléctrica y un sistema de refrigeración para poder obtener altas y bajas temperaturas. Un termopar permite registrar la temperatura en el interior de la cámara sin necesidad de tener que abrirla durante el experimento. Un ventilador asegura una distribución uniforme de humedad y temperatura. Los espejos se someten a un medio con 100 % de humedad relativa y temperatura ambiente durante cuatro semanas.

b) Ciclo térmico. Su propósito es verificar la adhesión entre las películas y el sustrato bajo variaciones en la temperatura, ya que cada material presenta un coeficiente térmico de expansión diferente. Las películas al contraerse y expandirse por efecto de las variaciones de temperatura, llegan a experimentar esfuerzos mecánicos capaces de romper los enlaces entre superficies, lo que se traduce en el desprendimiento de las películas del vidrio. El primer paso es colocar las muestras dentro de la cámara de intemperismo a 50 ºC y humedad

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ambiental por una hora; una vez transcurrido este tiempo se deja enfriar al ambiente por otra hora. A continuación, se sumergen en una charola dentro de una mezcla de nitrógeno líquido y alcohol isopropílico durante 20 minutos. La temperatura de la mezcla es de –50 ºC. Entonces, se retiran para que nuevamente alcancen la temperatura ambiente; esta etapa dura 60 minutos, y luego se repite el proceso. Después de cada ciclo, se revisa la apariencia de los espejos. Se efectúan cinco ciclos en total.

c) Alta temperatura. La temperatura es un factor muy importante en la degradación y estabilidad de los espejos, ya que puede provocar una disminución rápida en el desempeño de éstos. La velocidad de degradación es muy sensible a la temperatura. De acuerdo con las recomendaciones (Masterson et al, 1983), en este tipo de pruebas la temperatura no debe exceder 80 ºC. Las películas de cuarzo cuya composición sea muy deficiente en oxígeno al someterse a elevadas temperaturas sufren un cambio en su estructura, pues el silicio captura parte del oxígeno que les hacía falta, lo que se traduce en cambios de propiedades ópticas, como por ejemplo el índice de refracción (Pliskin et al, 1967; Pliskin y Lehman, 1965). Así mismo, si el aluminio no está totalmente protegido, al calentarse puede sufrir oxidación y disminuir la reflectividad del espejo. El propósito de esta serie de pruebas es examinar la degradación y estabilidad de los espejos bajo estas condiciones. Cada espejo se calienta a 70 ºC dentro de la cámara de intempe-rismo; a intervalos de 24 horas se medía su reflectividad y revisaba su apariencia. La duración del experimento fue de 72 horas.

d) Inmersión en solución salina. Se utiliza una solución de cloruro de sodio al 5 % en peso, como sustitución de una cámara de niebla salina, equipo con el que no cuenta el Instituto de Ingeniería. La inmersión de los espejos se efectúa a una temperatura que oscila entre 13 y 16 ºC, donde permanecen por 72 horas. Para examinar la corrosión y variación en la reflectividad los espejos se revisan cada 24 h, y se les da un enjuague previo con agua destilada para eliminar restos de sal. Con esta prueba se simulan condiciones de ataque salino similares a las que ocurrirían en zonas costeras.

e) Pruebas de abrasión. Una vez en operación, los espejos acumularán polvo, se erosionarán por efecto del paso de partículas arrastradas por el viento y por la necesidad de limpiarlos con cierta frecuencia. Estas partículas absorben y

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dispersan la luz, afectando la especularidad del espejo. Las rayaduras que pudiera provocar su limpieza son también causa de pérdida de reflectividad. Así pues, es importante conocer la dureza de la película protectora y considerar su resistencia a la abrasión provocada por estas condiciones. La abrasión y resistencia a la abrasión son difíciles de cuantificar. La prueba consiste en limpiar con un paño suave, en seco y bajo condiciones de humedad. Se talla la superficie de los espejos con un paño limpio, seco y suave, aplicando un esfuerzo moderado. Después de frotar alrededor de 200 veces, se observa si hay cambios conspicuos en la apariencia y la reflectividad. Enseguida se repite la prueba con un trapo empapado en una solución de detergente común.

2.8.9 Resultados de corrosión observados en pruebas de intemperismo

Salvo un espejo que sufrió apreciable corrosión (fig 2.12), en el resto no hubo gran daño. Se observó que la prueba de inmersión en agua salina era la que más daño provocaba a los espejos, principalmente aquellos producidos mediante evaporación con filamento de tungsteno, ya que éste se degrada con el uso y forma una aleación con el aluminio (Almanza et al, 1992).

Fig 2.12 Espejo sumergido completamente en la solución salina. El espesor de la película protectora en este caso fue de ~3000Å

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En general, existe un ataque preferencial en la zona del espejo en contacto con la interfase aire-agua. Se supuso que, como se trata de una zona donde existe un equilibrio entre la evaporación y la condensación del agua, la concentración de sal es mayor que en el seno del líquido; además, el vapor de agua presente se introduce entre las películas a través de alguna imperfección microscópica resultante de la porosidad de la película del cuarzo, y se difunde entre las dos capas despegándolas y permitiendo así la entrada de más vapor e inclusive de la solución. Uno de los espejos se sumergió por completo y únicamente presentó el ataque de la sal en un punto, a partir del cual se propagó con rapidez. El ataque se inició por la presencia de algún microagujero en la película protectora. Esto puede evitarse si se incrementa el espesor del cuarzo.

Con la prueba de abrasión, se obtuvieron los mismos resultados favorables que en las pruebas de humedad, ciclo térmico y alta temperatura. Por tanto, la capa protectora es lo suficientemente fuerte para soportar sin riesgo, lo que sería el mantenimiento de limpieza de los espejos una vez montados y expuestos al medio ambiente.

2.9 Armado del mosaico reflector en los concentradores

2.9.1 Moldes con perfil parabólico

La selección del material con que se fabricaron los moldes comenzó cuando se propusieron las siguientes opciones: cemento refractario, arcilla, yeso, porcelana moldeable y masa-roca.

Se seleccionó al material Masa-rocaMR, que es una especie de cemento basado en puzolanas, microfibras sintéticas y naturales, cementantes y aditivos, que al hidratarse se comporta como una masa sumamente moldeable, cuya contracción durante el fraguado es despreciable; además, este material se puede someter a temperaturas de hasta 800 ºC sin perder sus propiedades. Con dichos moldes se dio forma a los vidrios que posteriormente se convirtieron en espejos.

De manera general, un material mejor que la masa-roca es la arcilla moldeable, pero su alto costo hizo imposible adquirirlo.

El procedimiento para la fabricación de los moldes fue el siguiente:

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1) Se requirió dar la forma exacta a los moldes de masa-roca, por lo que se utilizaron los moldes originales (de lámina de acero) con los que se fabricaron los soportes de fibra de vidrio que estaban en la planta termosolar.

2) Se modificó un horno del Instituto de Ingeniería para alcanzar la temperatura de 600 ºC, con el fin de llegar arriba del punto de reblandecimiento de este tipo de vidrio.

2.9.2 Fabricación de los moldes

Uno de los objetivos de este proyecto fue utilizar vidrio comercial cal-sosa como sustrato de los espejos de primera superficie. En una etapa anterior de este proyecto, se determinó la temperatura de reblandecimiento de este tipo de vidrio, para una curvatura cualquiera en forma de catenaria (debido a que la presentación en el mercado del vidrio es en forma plana). En este trabajo se requirió adaptar este método de doblado para una curvatura parabólica exacta.

Por un lado, el modelo que se siguió para la geometría de los espejos solares fue el perfil del molde original con el que se construyeron los soportes usados en la planta termosolar del Instituto de Ingeniería, UNAM. Tales soportes tienen una apertura de 2.5 m, el foco a 0.625 m del vértice y un ancho de 1.14 m cada uno. El campo de concentradores estaba constituido por 16 módulos divididos en cuatro partes, y cada parte estaba formada por tres soportes de fibra de vidrio.

Por otro lado, debido a las limitaciones de la cámara de vacío donde se fabricaron los espejos y al tamaño de los magnetrones (superficie de erosión útil), sólo se tenía espacio disponible para fabricar espejos de 0.6 x 0.3 m como tamaño máximo, de modo que para cubrir el área de un soporte se requirieron 16 espejos acomodados en forma de mosaico, que dieron un área total reflejante de aproximadamente 3.12 m2. Como referencia se utilizó un soporte prácticamente igual al anterior, al cual se le instaló espejo comercial de aluminio marca 3M tipo SA-85P, cuya área total era de 3.24 m2, instalado en cuatro partes. El área total de cada soporte (ArT en m2, ec 2.4), está dada por la longitud de arco de la parábola (ec 2.5) multiplicada por el ancho de ésta. En la tabla 2.10 se especifican las medidas de ambos concentradores.

aLArT ⋅= (2.4)

83

y

yxxLn

xyyxL

22222 42

24

++++= (2.5)

donde (fig 2.13)

LABC = longitud de arco de la parábola (m)

a ancho del soporte con perfil parabólico (m)

x distancia del vértice al eje de apertura (m) y ½ de la longitud de apertura (m)

Fig 2.13 Soporte con perfil parabólico

TABLA 2.10 MEDIDAS GENERALES DE LOS CONCENTRADORES EVALUADOS

Tipo de espejo... Vidrio cal-sosa-Al Espejo 3M SA-85P

Apertura total del soporte (m) 2.508 2.509 Distancia vértice–foco (m) 0.625 0.625

Ancho del soporte (m) 1.142 1.142 Longitud del arco de la parábola (m) 2.876 2.877

Área total disponible (m2) 3.284 3.285

Apertura de la superficie con espejo (m) 2.372 2.452 Distancia vértice–línea de apertura (m) 0.609 0.628 Ancho de la superficie con espejo (m) 1.14 1.14 Longitud del arco de la parábola (m) 2.74 2.83

Área total reflejante (m2) 3.12 3.24 Reflectividad inicial 0.85 0.85

Peso total (kg) 45 26

84

El fraguado del material con el que estaban hechos los moldes, se alcanzaba aproxima-damente cinco horas después de humedecerlo, para luego dejarlo reposar envuelto en tela de franela muy húmeda, con el fin de evitar fisuras por secado rápido. La dureza total la alcanza en 72 horas. Ya hechos los moldes, se colocaban en el horno y se calentaban a 150ºC durante tres horas para quitarles el exceso de humedad.

Como estructura de soporte, se colocaron internamente dos tipos de malla electro-soldada: fina de 2 mm de diámetro y gruesa de 3 mm de diámetro. Esto con el fin de contrarrestar los esfuerzos mecánicos transversales y longitudinales producidos durante el ciclo de calentamiento y enfriamiento del molde.

Se construyeron únicamente dos moldes a la vez, por las limitaciones de espacio en el horno y por tratarse de una figura simétrica con respecto al vértice de la parábola. Por tanto, se necesitaron solamente ocho vidrios, con un tipo de curvatura y ocho con otro tipo para formar el mosaico completo. Adicionalmente, se utilizaron cuatro espejos más sin curvatura, los cuales se colocaron en los extremos longitudinales.

2.9.3 Diseño del horno para el doblado del vidrio

Para llevar a cabo el doblado del vidrio, se necesitó un horno cuyas dimensiones debían ser las adecuadas para dar cabida al menos a dos moldes juntos. Por tal motivo, se modificó un horno perteneciente al área de enrocamientos del Instituto de Ingeniería, UNAM, cuyas dimensiones fueron adecuadas para las necesidades de este proyecto (0.7 m de frente x 0.72 m de profundidad x 0.72 m de alto).

El calentamiento del horno se efectuó mediante resistencias tipo tira de 62 cm de longitud y capacidad de 750 W cada una. La capacidad inicial del horno era de 2 250 W y se aumentó a 6 750 W (200 % más).

El material aislante con el que estaban rellenas las paredes del horno era fibra de vidrio, cuya aplicación se recomienda para un intervalo de temperatura de 200 a 450ºC (Perry y Chilton, 1994), por lo que fue necesario cambiarlo por otro, adecuado para una tempe-ratura de 600 ºC. Por consiguiente, se escogió la fibra cerámica, marca Kaowool, en dos presentaciones, una como “colcha” de 5.1 cm de espesor (2 plg) y 128 kg/m3 de densidad (8 lb/pie3), instalada dentro de las paredes, y otra como “tabla” de 5.1 cm de espesor (2 plg) y 256 kg/m3 de densidad (16 lb/pie3), instalada como recubrimiento interno del horno; de tal forma que el interior quedó instalado tipo mufla.

85

x1 x2espesores

Colcha de fibra cerámica

A= área normal al flujo de calor

T2= 90°C

Tamb = 25°C

T1= 600°C

Q = flujo de calor

Tabla de fibra cerámica

Fig 2.14 Esquema del flujo de calor a través de las paredes del horno

Una vez colocado el nuevo aislante, se montaron las resistencias en conexión delta, a una línea de tres fases de 220 V. De esta manera quedaron tres bancos de tres resistencias (2 250 W) cada uno colocados en la base y en las paredes laterales del interior del horno, descansando sobre la tabla de fibra cerámica.

De acuerdo con la ec 2.6, el flujo de calor promedio que circulaba a través de las paredes del horno fue de 1 533 J/s (5 518.7 kJ/h); de tal forma la temperatura promedio en el exterior de dichas paredes era de 90°C y en el interior de 600°C a régimen estacionario (fig 2.14).

( )

2

2

1

1

21

kx

kx

ATTQ+

⋅−= (2.6)

donde

Q flujo de calor del interior al exterior del horno (J/s) Ti temperatura de la superficie en cada punto (ºC) xi espesor del aislante (m) ki conductividad térmica del aislante (W/[m⋅ºC]) A área normal al flujo de calor (m2)

Las pérdidas estimadas representan el 22.7 % de la capacidad instalada. Es indudable que se pueden minimizar estas pérdidas; no obstante, debido a las limitaciones de espacio no se pudo colocar un aislante de mayor espesor.

La cantidad de calor perdido puede considerarse alta; sin embargo, debido a las limitaciones de espacio y al costo de los materiales aislantes y refractarios necesarios para un mejor aislamiento, no se justificó el gasto en ellos.

86

El sistema de control fue bien diseñado, ya que mantenía la temperatura en un intervalo bastante aceptable (± 2 % de 600 ºC) y las partes que lo componían fueron suficientes para mantener la intermitencia necesaria en la alimentación de corriente a las resistencias.

Con el horno usado, se necesitaron dos horas para llegar a la temperatura de reblandecimiento del vidrio y una hora más para que adquiriera la curvatura del molde.

En cuanto al desempeño de los materiales durante el calentamiento, se observó que el material masa-roca a alta temperatura depende mucho del fraguado, ya que según la humedad con la que cuente al principio de las pruebas, así será el tiempo de vida útil para el doblado de vidrios.

Sin embargo, después de cierto tiempo siempre se hizo quebradizo y poco a poco se separaba de la estructura de malla que le daba soporte. Por tal motivo, siempre hubo que tener cuidado de revisar la superficie y curvatura de los moldes, ya que en promedio su vida útil fue de seis ciclos de calentamiento y enfriamiento, en los que permanecían aproximadamente una hora a 600 ºC. Por tanto, se construyeron diez moldes en total.

El control de temperatura se hizo por medio de un controlador analógico, que mediante un termopar tipo k, detectaba la temperatura en el interior para mandar la señal de encendido o apagado de las resistencias. Dicha señal la recibía un dispositivo llamado relevador de estado sólido, cuya función era la de interrumpir la alimentación de energía a los bancos de resistencias. Se instalaron tres relevadores en total, uno por fase, con capacidad de 20 A cada uno. El modelo utilizado fue el G2PA-220B-VD, marca Omron, de fabricación japonesa.

Ya colocado el sistema de control se procedió a calcular la curva de calentamiento del horno sin ningún tipo de carga en su interior, primero con la capacidad inicial de tres resistencias, cuya ecuación de regresión se expresa en la fig 2.15.

Esta gráfica sirve para estimar el tiempo mínimo de calentamiento y mínimo de enfriamiento del horno, con el fin de calcular la duración total de una prueba con un intervalo de error pequeño y además para la buena planeación del experimento.

Posteriormente, se hicieron pruebas para establecer la curva de calentamiento del horno sin carga y a capacidad máxima, que dieron como resultado la gráfica expuesta en la fig 2.16. Su comportamiento se pudo modelar con una función polinomial de tercer grado, de modo que esta gráfica pudo aplicarse durante el desarrollo de esta parte del proyecto, al doblar todos los vidrios con toda la potencia disponible.

87

Curva de Calentamiento del Horno (2250 W)

T = 10.299t + 6.6154R2 = 0.9983

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Fig 2.15 Calentamiento del horno sin carga y con tres resistencias

Curva de Calentamiento del Horno (6750 W)

T = 0.4232t3 - 13.078t2 + 153.09t - 139.6R2 = 0.9952

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Fig 2.16 Calentamiento del horno a capacidad máxima (nueve resistencias) sin carga

Para desarrollar las curvas de calentamiento (figs 2.15 y 2.16), se utilizó un termómetro digital Omega modelo 871-A, cuyo error era de ± 1 ºC y su capacidad máxima de 1 370 ºC. Éste se usó también para comprobar y registrar la temperatura en el interior del horno, ya que el controlador no contaba con una pantalla que la indicara.

88

2.9.4 Doblado de vidrio

Como sustrato para los espejos se utilizó vidrio comercial cal-sosa del tipo flotado de 3 mm de espesor, cuya característica principal consiste en la buena planaridad y homogeneidad de sus caras, lo que favorece una baja especularidad (< 5 mrad). Debido al proceso de fabricación del vidrio, una de las caras está contaminada con estaño, por lo que su identificación se hizo por medio de una lampara de luz ultravioleta, cuya radiación al incidir sobre las trazas de este metal, da un efecto de fluorescencia. Las placas de vidrio utilizadas tienen una dimensión de 600 x 300 mm. A éstas hay que darles un tratamiento especial de limpieza para garantizar una buena adherencia de la película reflejante durante las pruebas de intemperismo.

Los vidrios se limpiaban y se colocaban sobre los bordes de cada molde (fig 2.17), el control se fijaba en 600 ºC y se dejaba trabajar hasta que alcanzara la temperatura indicada en un periodo de aproximadamente dos horas. A esta temperatura, el vidrio por gravedad adquiere la forma del molde. Se dejaba enfriar todo durante 18 horas.

En las figs 2.18 y 2.19 se muestran los resultados del doblado de algunos vidrios, primero con carga de un molde, un vidrio y el soporte de ángulo de hierro que se construyó para colocar los moldes dentro del horno.

En la fig 2.20 se observa el comportamiento de la mayor parte del proceso de doblado, ya que se puede ver claramente las zonas de calentamiento, control a una temperatura (610°C) y enfriamiento, que se recomienda hasta 150 ºC para retirar el vidrio del horno.

El resto de los vidrios se doblaron en lotes de dos, de la forma indicada por la curva de calentamiento representada en la fig 2.21.

En dichas figuras se puede observar que el calentamiento inicial en el horno, se da de manera rápida debido a que se está en un punto muy cercano al equilibrio térmico con el exterior, por lo que es fácil alejarse de él. Conforme pasa el tiempo y aumenta la temperatura en el interior de horno, es más difícil alejarse del equilibrio y, por tanto, la curva va tendiendo a una asíntota horizontal.

89

Fig 2.17 Representación del proceso de doblado del vidrio plano sobre el molde con la curvatura del concentrador solar

Curva de calentamiento del horno

(con 1 vidrio + 1 molde + 1 soporte)

0 100 200 300 400 500 600 700

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Tiempo, en min

Tem

pera

tura

, en

ºC

16/marzo/1998

Zona de control Zona de calentamiento

Fig 2.18 Calentamiento y control del doblado de un vidrio


(con 1 vidrio + 1 molde + 1 soporte)

0 100 200 300 400 500 600 700

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Tiempo, en min

Tem

pera

tura

, en

ºC

17/marzo/1998

Zona de calentamiento Zona de control Zona de

enfriamiento

Fig 2.19 Calentamiento, control y parte del enfriamiento en el doblado de un vidrio

90

Curva de calentamiento y enfriamiento del horno

0

100

200

300

400

500

600

700

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Tiempo, en min

Tem

pera

tura

, en

ºC

18/marzo/1998

Zona

de

control Zona de

enfriamiento

Zona de

calentamiento

Fig 2.20 Calentamiento, control y enfriamiento del doblado de un vidrio


(con 2 vidrios + 2 moldes + 1 soporte)

0 100 200 300 400 500 600 700

0 40 80 120 160 200 240 Tiempo, en min

Tem

pera

tura

, en

ºC

19/junio/1998

Zona de control Zona de calentamiento

Fig 2.21 Calentamiento del doblado de dos vidrios

Una vez que las resistencias están en equilibrio y ceden al medio un flujo de calor constante, las pérdidas hacia el exterior también son constantes, de tal forma que la temperatura en la superficie externa del horno es función del coeficiente de transferencia de calor del material aislante. De este modo, cuando se llega a la etapa de control a 600 ºC, en el interior del horno, se tienen condiciones de estado estacionario y la temperatura en la superficie externa llega a ser de aproximadamente 90 ºC.

91

Para minimizar los riesgos de quemaduras del personal por contacto con la superficie del horno, se colocaron rótulos con el aviso: cuidado superficie caliente, en cada una de las caras del horno; además se delimitó el área que ocupó dicho equipo.

Se debe tener mucho cuidado de que la superficie del molde esté libre de basura o granos de masa-roca, ya que pueden afectar severamente la curvatura del vidrio y por tanto, la planaridad del mismo. Por tal motivo, antes de iniciar el doblado de cada lote se limpiaba perfectamente la superficie de cada molde; una vez que el vidrio estaba en proceso de doblado, no existía ningún recubrimiento que protegiera su superficie externa, aunque esto no era relevante, ya que no existía ningún riesgo de que algún fragmento de la tabla de fibra cerámica cayera encima de él.

Durante todo el proyecto se dio curvatura a un total de 30 vidrios, lo que incluye la etapa de pruebas y mejoras, así como la de productos finales. Cada lote de dos vidrios tardaba en calentarse a 600°C aproximadamente dos horas, permanecía una hora más en un intervalo de control de ± 12°C, aunque en ocasiones (como se puede observar en las figs 2.18 a 2.21) este intervalo era más grande, y la etapa de enfriamiento duraba más de ocho horas para alcanzar una temperatura de 150 ºC.

Bajo estas condiciones, se debe tener cuidado en el momento de retirar el vidrio del interior del horno, ya que existe el riesgo de quemaduras. En cuanto al vidrio, el choque térmico que sufre no es muy grande y resiste perfectamente.

2.9.5 Fabricación del concentrador y montaje en la planta termosolar

Después de haber fabricado todos los espejos necesarios para cubrir el área de un segmento de concentrador para la planta termosolar del Instituto de Ingeniería, se seleccionó uno de los soportes de fibra de vidrio que estuviera en mejor estado, se limpió adecuadamente y se trazaron sobre su superficie las marcas para colocar los espejos perfectamente alineados.

La colocación de los espejos se llevó a cabo muy cuidadosamente. Como adhesivo se utilizó pegamento de silicón, el cual demostró resistir la degradación provocada por los factores ambientales en los espejos planos elaborados durante la etapa anterior a este proyecto y que llevaban a la fecha dos años a la intemperie.

92

2.90 m2.70 m

1.15 m

Fig 2.22 Esquema de la distribución de los espejos en el concentrador de canal parabólico (vista de elevación)

El concentrador con espejos de vidrio de primera superficie se colocó en uno de los módulos solares junto a otro segmento hecho con papel comercial 3M tipo SA-85P, para comparar resultados de evaluación en condiciones similares de operación. Ambos concentradores se alinearon y con ello se pudo dar comienzo a la evaluación de sus desempeños.

Como ya se mencionó, el montaje de los espejos sobre un soporte de fibra de vidrio se realizó trazando sobre éste líneas guía (fig 2.22), dejando dos milímetros de separación entre espejos. Dicho espacio se dejó para evitar el roce de un vidrio con otro cuando todo el soporte estuviera en movimiento, ya sea durante la instalación en campo o durante el proceso de enfoque en cada prueba.

Se comprobó que el error en el haz de concentración provocado por dichas separaciones, no fue significativo, ya que durante la fabricación de los moldes se tomó en cuenta este espacio.

Para fijar cada uno de los espejos, se aplicó una película de silicón en el reverso del vidrio, de tal forma que pasado el tiempo de secado, cada espejo quedó fijo sobre el soporte y se formó el mosaico. Además, entre las separaciones que existían entre los espejos también se aplicó silicón para evitar la acumulación de tierra y humedad.

Cuando un concentrador no está en uso, su posición es como la que se muestra en la fig 2.24, por lo que la parte más cercana al piso está expuesta a mayor degradación por los agentes naturales que actúan sobre el suelo, de modo que por motivos de seguridad

93

(como evitar choques del concentrador durante la instalación, piedras del terreno pegadas en los extremos durante los días de inactividad, etc), los espejos no cubrieron completamente el área del soporte, de tal forma que se dejó un espacio de 10 cm en cada extremo sin cubrir, lo que se puede apreciar en la fig 2.23. El área total cubierta fue de 3.12 m2 (20 espejos en total), con una apertura de 2.37 m.

El montaje en campo, se hizo sobre uno de los soportes ya existentes en la planta termosolar del Instituto de Ingeniería, UNAM. El concentrador se fijó con tornillos de 3/8 plg. y para protegerlo se cubrió con una lona de plástico. Se observó que la deformación sufrida por el soporte debido al peso de los espejos no fue significativa, ya que el molde original tiene una apertura de 2.52 m, valor igual al que tiene el concentrador cuando está enfocado.

2.9.6 Evaluación de las pérdidas de concentración

Las evaluaciones hechas a los espejos debían comenzar con la medición de las reflectividades especulares totales (esto antes del armado del concentrador) en el reflectómetro de espectro solar. Para ello, se hicieron diferentes mediciones distribuidas uniformemente en toda el área de cada espejo y se tomaba un valor promedio para determinar su calidad.

Posteriormente, una vez montados en el soporte de fibra de vidrio e instalados en campo, se procedió a medir la pérdida de radiación alrededor del tubo absorbedor, así como la cantidad de radiación incidente sobre el mismo.

Se utilizó un dispositivo con una celda fotovoltaica, cuyo diámetro era de 5.4 cm de longitud, pero se recubrió parte de su superficie con una lámina cortada al ancho del tubo absorbedor (2.4 cm), de manera que el área total expuesta de la celda era de 12.2 cm2 (fig 2.25). Esto con el fin de que la irradiancia alrededor del tubo no alterara la lectura específica para cada zona.

La diferencia de potencial generada en la fotocelda se mediría en tres zonas: en la parte del foco donde está el tubo absorbedor y a ambos lados de él con una distancia equivalente al ancho del tubo (2.4 cm), es decir, sobre una línea perpendicular al eje focal abarcando el área expuesta de la fotocelda.

94

Fig 2.23 Fotografía del concentrador solar de canal parabólico con espejos de aluminio en sustratos de vidrio

Fig 2.24 Dos concentradores de canal parabólico con espejos de aluminio: uno con espejos comerciales en sustrato de acrílico marca 3M (izquierda), otro con espejos desarrollados en el IIUNAM, en sustratos de vidrio comercial de 3 mm de espesor (derecha)

95

Fig 2.25 Esquema de la fotocelda, para evaluación de los concentradores solares

Con la celda fotoeléctrica se pudo medir una diferencia de potencial al conectarla a un multímetro digital, de forma que al colocarla en el lugar correcto por un instante (menos de dos segundos), se tenía una lectura en el foco de la parábola y en sus alrededores.

Por tanto, se podría comprobar la simetría de concentración, y de forma indirecta las pérdidas por el enfoque y especularidad de los espejos, es decir, los errores ópticos del sistema pueden ser cuantificados mediante la medición de la distribución de radiación solar en el plano focal, para obtener la función error de todo el sistema. Se debe tener presente que las pérdidas por medir son función de la planaridad de los espejos, del factor de forma y del error de seguimiento.

La función de error para un concentrador ha sido discutida en detalle por Vant-Hull, 1991. En esta referencia se toman en consideración la especularidad del espejo, el error de curvatura durante la construcción del concentrador que además incluye el error de deformación a lo largo del tiempo debido a la fuerza de gravedad y el error de seguimiento; además, debe incluirse el tamaño finito del Sol con su brillantez circunsolar.

2.9.7 Pruebas de concentración

La evaluación del haz de concentración, en cuanto a enfoque e intensidad producido por el mosaico de espejos del concentrador, se hizo por medio de una serie de celdas fotoeléctricas, que se colocaron perpendicularmente al eje focal del canal parabólico y en el vértice de cada una de las hileras de espejos. De forma que, a partir de la diferencia de potencial generada en dichas celdas y medida con un multímetro sobre el foco de la parábola donde se colocaba el tubo absorbedor de 2.54 cm de diámetro, se cuantificó la eficiencia de concentración en cuatro zonas del mosaico de espejos; algunas de las mediciones se exponen en las tablas 2.11 y 2.12. En la fig 2.26 se esquematiza la zona del tubo absorbedor en la que se tomaron las mediciones.

96

Fig 2.26 Esquema del haz de concentración y pérdidas del concentrador de canal parabólico, con su eje focal en la dirección este-oeste

TABLA 2.11 EJEMPLOS DE MEDICIONES DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA ALREDEDOR DEL TUBO CONCENTRADOR

Concentrador con espejo 3M Concentrador con espejo de vidrio

Irradiancia (mV)

Hora del día 12:35

Global 43.7

Máx 53.6 Hora del día

12:30 Global 43.9

Máx 53.8

Distancia* Norte Sur Distancia* Norte Sur 3 cm 73 78 3 cm 61 56 6 cm 40 38 6 cm 38 35 9 cm 24 26 9 cm 31 29

Irradiancia (mV) en condiciones semibrumosas, con algo de nubosidad y contaminación

Hora del día 12:10

Global 45.1

Máx 54.0 Hora del día

12:05 Global 42.8

Máx 53.2

Distancia* Norte Sur Distancia* Norte Sur 3 cm 75 81 3 cm 63 58 6 cm 42 41 6 cm 40 38 9 cm 28 31 9 cm 24 19

* La distancia con respecto al tubo absorbedor

Con el fin de llegar a establecer una comparación entre el concentrador con espejos de vidrio y el concentrador con espejo comercial de aluminio PMMA, marca 3M SA-85P, se tomaron dos lecturas diferentes, una para cada uno de ellos. Esta última lectura sirvió para comparar el desempeño en el enfoque del mosaico de espejos, ya que la superficie del espejo comercial era más plana.

97

TABLA 2.12 ALGUNAS MEDICIONES DE IRRADIANCIA* HECHAS EN EL FOCO DE CADA CONCENTRADOR

Tipo de Espejo Hora del día Foco (mV)

Global (mV)

Máx (mV)

3M 11:10 292.4 39.2 50.3

Vidrio 11:10 331.3 41.8 51.8

3M 11:30 315.3 42.8 51.3

Vidrio 11:30 346.8 40.5 51.0

3M 11:50 303.0 45.7 54.2

Vidrio 11:50 348.2 46.6 54.8

3M 12:00 318.0 45.8 56.7

Vidrio 12:00 353.0 47.9 56.8

*Todas las cantidades de irradiancia solar tienen unidades de mV

En la tabla 2.11, se define la hora del día en que se llevó a cabo la medición, junto con la

lectura tomada al colocar la fotocelda en posición horizontal hacia arriba (irradiancia

global), y para tener un dato de comparación en el momento en que el concentrador esté

enfocado y, por tanto, en funcionamiento, se tomó la lectura cuando la fotocelda estaba

hacia arriba con la inclinación del Sol (irradiancia máxima). Los datos promedio de las

tablas 2.10 y 2.11 se expresan de manera gráfica en las figs 2.27 y 2.28.

Las mediciones de irradiancia solar, hechas por medio de una fotocelda (área de

aproximadamente 12.2 cm2), cuya respuesta se daba en mV, también se llevaron a cabo

por cada sección de espejo en cada concentrador, es decir, para cada una de las cuatro

hileras longitudinales de espejos en sustratos de vidrio se tomó una lectura y para los

espejos comerciales fueron dos secciones. Un ejemplo de este tipo de mediciones se

señala en las tablas 2.13 y 2.14.

98

Distribución de la diferencia de potencial en el

concentrador con espejo de vidrio

0

50

100

150

200

250

300

350

9 6 3 foco 3 6 9Distancia al tubo absorbedor (cm)

(mV)

Fig 2.27 Perfil de pruebas en campo del concentrador con espejos en

sustratos de vidrio

Distribución de la diferencia de potencial en el

concentrador con espejo de 3M SA-85P

0

50

100

150

200

250

300

350

9 6 3 foco 3 6 9

Distancia al tubo absorbedor (cm)

(mV)

Fig 2.28 Perfil de pruebas en campo del concentrador con espejos

comerciales 3M

Las mediciones expuestas en la tabla 2.12 se refieren a lecturas tomadas directamente en el foco de cada concentrador, donde además se establece la irradiancia global y máxima cuando se expone la fotocelda directamente al Sol en posición horizontal y con inclinación, respectivamente.

Se dice que es una medida indirecta, ya que se supone que el valor de irradiancia solar es directamente proporcional al voltaje generado por una celda fotoeléctrica. Además, cada fila longitudinal de espejos da una lectura de voltaje ligeramente diferente, lo mismo ocurre con el espejo comercial 3M, debido a la diferencia de especularidad de cada sección.

99

TABLA 2.13 EJEMPLO DE MEDICIONES HECHAS EN EL FOCO DE CADA FILA DE ESPEJOS DE VIDRIO

Medición 1* Medición 2 Promedio

Global inicial 50.1 50.8 50.5 Fila 1 347 350 349 Fila 2 343 340 342 Fila 3 352 349 351 Fila 4 341 336 339 Global final 49.3 48.9 47.5

* Todos los valores de irradiancia solar están expresados en mV

TABLA 2.14 EJEMPLO DE MEDICIONES EN EL FOCO DE CADA FILA DE ESPEJOS COMERCIALES 3M

Medición 1* Medición 2 Promedio

Global inicial 48.4 48.3 48.4 Fila 1 318 314 316.0 Fila 2 306 308 307.0

Global final 47.2 47.1 47.2

*Todos los valores de irradiancia solar están expresados en mV

TABLA 2.15 LECTURAS GENERADAS POR PÉRDIDAS DE IRRA-DIANCIA EN LOS ESPEJOS DE SUSTRATO DE VIDRIO

Global inicial 48.9 50.3 49.6

Global final 50 49.8 49.9

Pérdida 1 (mV) Pérdida 2 (mV) Promedio (mV)

Fila 1 Norte 45 55 50 Sur 35 38 37

Fila 2 Norte 51 52 52 Sur 47 41 44

Fila 3 Norte 55 52 54 Sur 42 44 43

Fila 4 Norte 65 62 64 Sur 43 49 46

100

TABLA 2.16 LECTURAS GENERADAS POR PÉRDIDAS DE IRRADIANCIA SOLAR EN ESPEJOS COMERCIALES

Pérdida (mV)

Fila 1 Norte 48 Sur 44

Fila 2 Norte 60 Sur 63

Todas las pérdidas de irradiancia solar se midieron, por cada fila de espejos de cada concentrador a 3 cm con respecto a los extremos norte y sur del tubo absorbedor ya que su orientación es este-oeste. Además, como referencia se tomó la lectura de irradiancia solar antes y después de cada medición, con el fin de evidenciar la poca variabilidad de las condiciones en ese momento. Algunas de las lecturas se exponen en las tablas 2.15 y 2.16.

En las figs 2.27 y 2.28, se puede observar el perfil de distribución de la irradiancia solar concentrada en el tubo absorbedor y en sus alrededores.

2.9.8 Funcionamiento en campo

La metodología para llevar a cabo el análisis de los datos recolectados en campo y, con ello, la evaluación de los concentradores, fue la siguiente:

1) Se escribieron los datos de voltaje producido por la fotocelda en varias tablas, una para las pérdidas alrededor del tubo y otra para los valores en el foco de cada concentrador (tablas 2.11 a 2.16).

2) Se calculó la variación de los datos y su promedio, tomando en cuenta las variaciones de la irradiancia solar en cada instante para cada medición y se normalizaron los datos para compensar la diferencia de áreas.

3) Se supuso que las pérdidas de energía solar, debido a la especularidad y al enfoque del concentrador, eran significativas solamente a 2.4 cm de distancia a cada lado del tubo absorbedor. Por lo que la lectura registrada en el foco se sumó

101

con la de las pérdidas y de esa manera se establecía el 100 % de la irradiancia captada.

4) De modo que para calcular la fracción de incidencia de la irradiancia solar reflejada, se dividió la lectura obtenida sobre el foco entre la suma de lo expuesto en el punto 3.

5) Este procedimiento se aplicó para cada una las mediciones hechas. De manera que, para generalizar los resultados, se calculó una desviación estándar y un promedio para cada zona de medición.

En las tablas 2.17 y 2.18 se establecen los datos ya procesados; en ellas aparece el porcentaje de pérdidas, el promedio de los valores y la desviación que éstos presentaron en todas las mediciones para cada concentrador. Así se cuantifica el grado de afectación del enfoque y la especularidad.

Se debe tomar en cuenta que las lecturas tomadas varían según la época del año en que se llevan a cabo, ya que el ángulo de inclinación del Sol cambia; sin embargo, el rendimiento será constante.

Se tiene que el porcentaje de pérdidas en el proceso de concentración de la energía solar está un poco por arriba del esperado, ya que de un valor de 15 % estimado se obtuvo un 21.9 %, en el concentrador prototipo de espejos con sustrato de vidrio. En el otro concentrador las pérdidas se estimaron en 25.6 %.

Dicho valor se debe principalmente a la especularidad de cada uno de los espejos, cuyo efecto sumado es significativo. Esta afirmación se apoya en las evidencias visuales del haz de concentración, cuya forma sobre el tubo absorbedor era muy irregular. Además, se debe añadir el error que se tiene por la orientación del concentrador con respecto al Sol y error por el perfil de cada uno de los espejos, así como del soporte mismo.

Se observó que el esquema de mosaico es funcional para este tipo de concentrador solar y que con la debida alineación para cada parte puede llegar a formarse un espejo que funcione como uno de tamaño mayor.

102

TABLA 2.17 CONCENTRADOR PARABÓLICO CON ESPEJOS EN SUSTRATOS DE VIDRIO

Vidrio Foco Pérdida N Pérdida S Σ de pérdidas

Total Pérdidas (%)

Útil (%)

Fila 1 348.5 50.0 36.5 86.5 435.0 19.9% 80.1% Fila 2 341.5 51.5 44.0 95.5 437.0 21.9% 78.1% Fila 3 350.5 53.5 43.0 96.5 447.0 21.6% 78.4% Fila 4 338.5 63.5 46.0 109.5 448.0 24.4% 75.6%

Promedio 344.8 54.6 42.4 97.0 441.8 21.9% 78.1%

TABLA 2.18 CONCENTRADOR PARABÓLICO CON ESPEJOS COMERCIALES

3M Foco Pérdida N Pérdida S Σ de pérdidas

Total Pérdidas (%)

Útil (%)

Fila 1 316.0 48.3 44.0 92.3 408.3 22.6% 77.4% Fila 2 307.0 60.0 63.0 123.0 430.0 28.6% 71.4%

Promedio 311.5 54.2 53.5 107.7 419.2 25.6% 74.4%

Por otro lado, se asumió que el valor de reflectividad de los mejores espejos obtenidos en la etapa anterior a este proyecto (0.86) fue el mismo que el de los construidos en este trabajo. Tal simplificación se apoya en la gran cantidad de pruebas hechas con anterioridad (Almanza et al, 1997; Correa et al, 1998 y Martínez et al, 2000a y b).

Para comparar los resultados de la medición de reflectividad, se elaboró la tabla 2.19, donde se especifican los valores de cada uno de los espejos comerciales probados en la planta termosolar del Instituto de Ingeniería, UNAM. Tres de ellos tienen un tiempo de exposición de al menos 18 años a la intemperie, mientras que los espejos de primera superficie elaborados en la primera etapa del proyecto y los de plata comercial marca 3M, llevan cuatro años de exposición. Por último están los concentradores montados en agosto de 1998, que son el objeto de este trabajo y se evaluaron tras un año de exposición.

Se puede observar que el valor de reflectividad en los espejos de primera superficie con cuatro años de exposición cumple con el objetivo de tener una vida útil larga, por lo que se estima la misma vida útil para los espejos de este proyecto. Aunque la extrapolación a diez años tiene cierta incertidumbre, se puede decir que es un resultado bastante

103

alentador, ya que al hacer las mejoras pertinentes en ciertas deficiencias del sistema, se pudieron mejorar las propiedades de los espejos, al punto de equipararse con las de los espejos hechos por otros métodos.

Finalmente, se puede establecer con los resultados obtenidos de los espejos, evidencia suficiente como para decidir si tales espejos pueden llegar a utilizarse en una planta termosolar. El manejo de la cantidad de oxígeno, como variable durante la fabricación de la película protectora de cuarzo, es determinante para obtener espejos de alta reflectividad y alta resistencia a la intemperie; sin embargo, se requiere perfeccionar la técnica para obtener espejos de alta calidad empleando el mínimo de recursos y tiempo.

TABLA 2.19 REFLECTIVIDAD ESPECULAR DE ALGUNOS ESPEJOS COMERCIALES DESPUÉS DE 4 Y 18 AÑOS DE EXPOSICIÓN A LA INTEMPERIE EN LA PLANTA TERMOSOLAR DEL IIUNAM (MARTÍNEZ ET AL, 2000)

Reflectividad ρs(±0.001)Tipo de espejo

Inicial Final

Tiempo(años)

Comentario

FEK–244 (PMMA con aluminio)

0.86 0.72 18 Efecto túnel y corrosión

Kingston (Aluminio electropulido)

0.86 0.42 18 Placa de aluminio muy opaca

Aluminio en PMMA (Acrílico con 3 mm de espesor)

0.85 0.71 18 Efecto túnel y corrosión Espejos mexicanos

3M ECP–305 (PMMA con plata)

0.95 0.90 4 Efecto túnel, corrosión y agrietamiento del acrílico

Espejos de aluminio de primera superficie planos (Al y SiO2 depositados

por sputtering)

0.86 0.85 4 Sustrato de vidrio y películas en buenas

condiciones

3M SA–85P (de aluminio) (PMMA con inhibidores

de UV)

0.85 0.84 1 Inicio de efecto túnel, se raya fácilmente

Espejos de aluminio de primera superficie curvos (aluminio depositado por

evaporación con filamento de tungsteno, protegido con

sputtering de cuarzo)

0.86 0.80 1 Algunos presentan color blancuzco

104

TABLA 2.20 EMISIONES ANUALES DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES EN LA CIUDAD DE MÉXICO*

Contaminante ton/año

SO2 45 468

COx 2 358 141

NOx 128 646

HC 1 025 579

Partículas suspendidas 451 614

El problema de la diferencia de espesores continuó hasta el final de las pruebas sin llegar a ser significativo ya que se pudo minimizar; no obstante, se puede resolver en etapas futuras de desarrollo. Este problema está directamente relacionado con la especularidad y, por tanto, afecta directamente al valor de reflectividad.

Después de un año de instalado en campo, sin ningún tipo de protección más que un mantenimiento periódico de limpieza, cada uno de los espejos ha soportado los embates de los factores climáticos de la ciudad de México —cuyas condiciones ambientales en cuanto a contaminantes se muestran en la tabla 2.20—, ya que a simple vista no se detecta ningún tipo de degradación o deterioro.

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108

3. FILTROS SOLARES EMPLEADOS COMO VENTANAS PARA OBTENER CONFORT Y AHORRO DE ENERGÍA EN EDIFICACIONES

Genaro Correa Rafael Almanza

3.1 Introducción

Actualmente el crecimiento de un país no debe separarse del cuidado del medio ambiente. El trabajo que a continuación se presenta surge de esta idea. Se considera importante su divulgación pues proporciona al lector un panorama completo sobre los aspectos que se involucran en una simple ventana: la ciencia de materiales, la óptica, el ahorro de energía, la protección al medio ambiente, la sensación de bienestar y comodidad en el interior de una habitación, así como el diseño y orientación más apropiados en una edificación, entre otros.

En los últimos años han crecido exponencialmente las publicaciones y los congresos internacionales sobre el acondicionamiento bioclimático y las edificaciones susten-tables, es decir, ha aumentado la preocupación por el diseño de casas y edificios que al mismo tiempo que armonicen con el medio ambiente no resulten incómodas ni tampoco grandes consumidoras de energía.

El desarrollo de ventanas acordes a las necesidades climáticas de nuestro país, capaces de reducir los flujos de energía a través de ellas, es el camino que se propone para con-cientizar y propiciar el ahorro de energía en edificaciones y hacerlas más confortables.

A continuación, se exploran un poco más a detalle algunos aspectos de lo que es el confort y cómo surgen los conceptos actualmente en boga del diseño bioclimático; se mencionan los mecanismos de regulación térmica que tiene el cuerpo humano y los

109

fenómenos de transferencia de luz y calor que se suceden en una ventana, así como los diferentes tipos de ventanas existentes para usarse como filtros solares selectivos.

3.1.1 La relación arquitectura-energía

El mantenimiento del confort en el interior de las edificaciones modernas se realiza normalmente mediante calefacción, enfriamiento, humidificación o bien deshumidi-ficación; sin embargo, se requieren importantes cantidades de energía eléctrica para conseguirlo. Si se considera que en México aproximadamente 80 % de la electricidad se produce mediante la quema de algún combustible fósil, como gas natural, combustóleo, carbón y diesel (Secretaría de Energía, 1998), resulta que esta clase de edificaciones contribuyen indirectamente, por su diseño, al dispendio de recursos no renovables y a la contaminación del medio. Considerando al país, la suma de los edificios y unidades habitacionales técnicamente bien diseñados daría lugar a significativos ahorros en el consumo de combustibles.

El problema específico que atiende el trabajo que a continuación se presenta, es el desarrollo de ventanas con un recubrimiento que permita controlar el paso de la radiación solar. De esta manera se pueden regular los flujos de energía que circulan a través de las ventanas y así mejorar las condiciones ambientales en el interior de las edificaciones, pero aprovechando la luz natural y reduciendo al mismo tiempo los requerimientos energéticos de los mismos. Esta clase de sistemas requiere de menos aire acondicionado o calefacción.

Cuando se mencionan las edificaciones climáticamente confortables y energéticamente eficientes, los conceptos de arquitectura vernácula y bioclimática adquieren especial importancia. La arquitectura vernácula es el estilo y construcción propios de un lugar, con los que se ha edificado en siglos anteriores — esto aplica para cualquier región del mundo— y surge como la manifestación de la realidad de un pueblo, representa su devenir histórico, sus circunstancias culturales y la síntesis de sus orígenes e influencias. Aparece congruente con la situación geográfica y las particularidades del paisaje. Esta arquitectura mantiene cierta unidad con el entorno, ya que los materiales usados en la construcción son productos ofrecidos por el medio físico y cuya manufactura es posible a través de modos preindustriales e imitativos. Las técnicas constructivas son tradicionales, de repetición empírica y basadas en la autoconstrucción.

110

La arquitectura vernácula puede considerarse entonces como el origen y antesala de lo que hoy se conoce como arquitectura bioclimática. En aquélla, de forma instintiva, aparecen aplicaciones formales que llevan a una arquitectura confortable, adaptada al medio y que hace un uso eficiente y racional de los recursos naturales. La arquitectura bioclimática, por su parte, formula la posibilidad de proponer y realizar proyectos arquitectónicos que se desenvuelvan en armonía y respeto con su entorno, como una unidad total y como una acertada solución frente al inminente y excesivo consumo de recursos energéticos no renovables.

Si se hace un estudio de la arquitectura vernácula, se descubrirá que cuenta con detalles particulares en sus diseños, los cuales proporcionan las condiciones deseadas de confort sin la necesidad de recurrir a grandes consumos energéticos o inclusive sin hacer uso de ellos. La forma y orientación de los edificios, la distribución de puertas, ventanas, aleros, uso de árboles, tipo de vegetación y agua, son algunos ejemplos; muros muy gruesos y el agrupamiento de casas eran las maneras más comunes de reducir los efectos de las grandes fluctuaciones de temperatura.

La inmensa mayoría de las viviendas y de los edificios que se construyen en los países en vías de desarrollo, y según el tipo de clima de que se trate, no tienen equipos adecuados de calefacción o de aire acondicionado para el enfriamiento del aire de la habitación. Esto supone que es sólo el edificio, por su diseño, orientación, materiales y dispositivos, el que ha de defender a los ocupantes de la agresividad térmica del medio.

No debe haber un solo ingeniero y arquitecto capaz de negar la importancia del confort térmico en una vivienda. Sin embargo, las ciudades están plagadas de errores y despreocupaciones en esta materia. El conocimiento del diseño bioclimático es fundamental y resulta necesario crear conciencia sobre su importancia para evitar seguir con esos errores, resultado de la necesidad de resolver las enormes exigencias de todo orden que intervienen en un diseño de edificación.

Actualmente, en muchos países alrededor del mundo se está logrando una amplia difusión temática del diseño bioclimático; en otros, apenas resurge el tema con un notable afán de hacerse presente de manera permanente y como un real cambio de actitud. Con el creciente interés por el ahorro de energía y la protección del medio ambiente, se ha despertado la necesidad de construir edificaciones rediseñadas de forma tal que proporcionen el confort haciendo uso de medios sustentables.

111

Estos conceptos de arquitectura ambientalista, ecológica, bioclimática, solar, green architecture, etc, han sido establecidos años atrás y no son de ninguna manera recientes. Hacia la década de los 50 y tomando como punto de partida los conceptos de progreso que se gestaron con la revolución industrial, la máquina de vapor y los combustibles fósiles, la sociedad comenzó a evolucionar hacia un consumismo desmedido.

Veinte años más tarde, y a raíz de la fuerte crisis del petróleo producida en ese decenio (1973), la sociedad en general comenzó a aceptar que los energéticos que hasta el momento le habían dado soporte no tenían un carácter ilimitado y, por tanto, no podían seguir siendo explotados sin mesura ni prevención. Empezó una época de recesión que llevó a que los países industrializados redujeran su elevado consumo energético y a que comenzara el interés por el desarrollo de nuevos sistemas que permitieran un considerable ahorro de energía, así como por un mayor estudio y conocimiento sobre las energías renovables. Fue en ese momento que tomaron auge las dos nuevas opciones: energía eólica y energía solar. Actualmente, la humanidad se dirige a una nueva época “energética”, de convivencia entre la de los hidrocarburos, la de las energías renovables y la energía nuclear.

Hoy en día se cuida el medio ambiente más que en ningún otro momento de la historia. Se hacen estudios de impacto ambiental prácticamente para cualquier actividad y de esos estudios recientes ha surgido una nueva discusión acerca del uso de las presas para generación de hidroelectricidad. Se ha descubierto que las presas han sido causa de extinción de algunas especies a lo largo del tiempo y si se considera también el impacto regional que provoca su construcción: impactos climáticos, estéticos al alterar el paisaje, humanos al tener que reubicar poblaciones completas; entonces, se ha comenzado a plantear la posibilidad de desaparecer algunas de ellas (Montaigne, 2001; Gleick, 2001). Durante mucho tiempo se consideró a la hidroelectricidad una energía “limpia” y muy barata, ahora este concepto está cambiando; por tal razón y por la escasez de nuevas cuencas, es de esperarse que en el futuro dejen de emprenderse nuevos proyectos hidroeléctricos a gran escala.

Las investigaciones acerca de la relación arquitectura-energía se remontan a más de treinta años atrás. Entre estos trabajos destacan los presentados por los hermanos Víctor y Aladar Olgyay, quienes ya hacia los años cincuenta, y con una visión futurista, se atrevieron a plantear una arquitectura distinta de la que se había hecho convencional-mente hasta entonces.

112

Víctor Olgyay planteaba una interpretación bioclimática de la arquitectura, donde se especifican y definen los efectos que tiene el clima sobre el ser humano. A partir de numerosos trabajos de investigación y diversas publicaciones, Olgyay se convirtió en el autor de referencia fundamental para aquellos que posteriormente decidieron seguir el camino bioclimático (Olgyay,1963).

Por estas razones, en el Instituto de Ingeniería, se ha abierto una nueva línea de investigación donde, aprovechando el conocimiento adquirido en la fabricación de películas delgadas para usos y aprovechamiento de la energía solar, se producen ventanas que trabajan como filtros solares espectralmente selectivos (activos y pasivos). La idea es desarrollar al menor costo, la tecnología más apropiada para la fabricación de ventanas que regulen el paso de la energía solar teniendo en cuenta las características climáticas de países como México y considerando además el poder adquisitivo de la población, de manera que estas ventanas tengan penetración en el mercado de la industria de la construcción, para así tener edificaciones más confortables y de bajo consumo energético.

3.2 Importancia del confort

La búsqueda del confort pretende proveer un clima en el interior de las edificaciones que resulte agradable a los individuos o bien, que les sea de fácil adaptación. Hay que distinguir entre confort térmico, de iluminación y acústico. El más importante de éstos es el confort térmico, que a su vez está controlado por la temperatura del aire, la temperatura radiante de los cuerpos, humedad y ventilación o circulación del aire. Algunos autores hacen distinción entre el confort térmico y el higrotérmico, en el entendido de que el térmico hace referencia a condiciones de temperatura del aire, mientras que el higrotérmico incluye la influencia de la humedad. En sentido estricto existen varios esquemas de confort térmico pero ninguno resulta útil en trabajos prácticos de diseño; en ellos queda oculta la influencia de las variables del medio. Por esta razón y para los fines de divulgación que persigue este capítulo, se proporciona la definición de confort térmico expuesta líneas antes, en este mismo párrafo.

La carta bioclimática de Olgyay es la más apropiada para percibir la influencia de las variables climatológicas del entorno, pues incluye la temperatura del aire, la humedad, la irradiancia solar y la velocidad del aire.

Estos factores no son necesariamente aditivos y nunca son lineales. La Sociedad Nortea-mericana de Ingenieros en Calentamiento, Refrigeración y Aire Acondicionado, ASHRAE

113

por sus siglas en inglés, ha definido el confort térmico como: Aquella condición de la mente que expresa satisfacción con la temperatura ambiente (ASHRAE, 1989).

La primera condición del confort es que el balance térmico de toda la energía generada y perdida por el organismo sea igual a cero. Si esto no sucede, el organismo se defiende poniendo automáticamente en acción los mecanismos termorreguladores. Factores como la humedad y la velocidad del viento influyen en la actividad de dichos mecanismos.

En la fig 3.1 se presentan los límites del confort según la actividad física realizada, mientras que en la tabla 3.1, se muestra la cantidad de calor disipada según sea la actividad física, que determina de cierta manera el límite del confort. Cabe señalar que es difícil establecer un límite específico para el confort, dado que no todas las personas presentan la misma sensibilidad ni las mismas costumbres; por esta razón, siempre que se habla de confort es conveniente manejar zonas de confort. Lo que sí está probado es la consecuencia perjudicial de los medios no confortables, que producen fatiga, agotamiento físico y nervioso, disminución del rendimiento, aumento de los errores y riesgo de accidentes en el trabajo, además de exponer al organismo a contraer diversas enfermedades.

En la fig 3.2, se muestra el resultado de una investigación sobre la frecuencia de los accidentes en una fábrica (Rivero, 1988). Se comprueba que a medida que el medio es térmicamente más hostil, la preocupación del sujeto sobre ese problema va en aumento, apartando su atención de la actividad específica que está realizando, favoreciendo la distracción y la consiguiente pérdida de eficiencia y seguridad en el trabajo.

Si se toma en cuenta la función, como sitio de descanso, que cumple la vivienda, se advierte que el confort térmico tiene una importancia singular. El hombre puede pasar más tiempo sin comer que sin dormir. El descanso es una necesidad fisiológica ineludible en la que el organismo recompone los efectos del gasto realizado durante el periodo de actividad. El proceso de la reconstrucción de las células y la eliminación de los detritos no es instantáneo; por otra parte, es la razón por la cual el ser humano no puede realizar ciertas tareas pesadas sin descansos intermedios. Para que realmente sea efectiva esta recuperación fisiológica, debe realizarse con la menor tensión posible tanto térmica como lumínica, acústica, muscular o nerviosa. De no ser así, la recuperación será insuficiente y el problema se irá agravando progresivamente. Este aspecto se convierte así en una de las funciones más importantes de la vivienda (Correa, 2000).

114

Fig 3.1 Representación del área de confort humano en función de la temperatura y

la actividad realizada (Rivero, 1988)

TABLA 3.1 DISIPACIÓN DE CALOR POR ACTIVIDAD PARA EL SER HUMANO (BANSAL ET AL, 1994)

Actividad Tasa de producción de calor

W W/m2

Dormir 60 35 Descansar acostado 80 45 Sentado. Trabajo normal de oficina 100 55 Escribir en la computadora 150 85 Caminata (3 km/h) 200 110 Caminata rápida (6 km/h) 250 140 Trabajo pesado más de 300 más de 170

115

90

110

130

150

0 10 20

Temperatura ambiente, en °C

Frec

uenc

ia re

lativ

a de

ac

cide

ntes

30

Fig 3.2 Frecuencia de accidentes de trabajo en función de la temperatura del medio (Rivero,1988)

3.2.1 Balance térmico en el cuerpo humano

El cuerpo humano genera calor como un producto secundario de las reacciones metabólicas celulares, y parte de este calor lo cede al medio ambiente.

En promedio, 55 % de la energía de los alimentos se transforma en calor durante la formación del ATP (trifosfato de adenosina). Del 45 % restante, el metabolismo celular sólo aprovecha poco más de la mitad, es decir, el 25 % de la energía suministrada por los alimentos. Sin embargo, continúa transformándose en calor la mayor parte de ese 25 %: síntesis de proteínas, energía de la contracción muscular, bombeo de la sangre por el corazón, etc.

Por tanto, se puede decir que prácticamente toda la energía producida por el metabolismo de los alimentos en el organismo se convierte en calor. La única excepción es la realización de un trabajo exterior por los músculos.

La cantidad de calor perdido por cada uno de estos procesos varía considerablemente según las condiciones atmosféricas. En una habitación a temperatura normal, un cuerpo desnudo elimina por radiación el 60 % de su pérdida total de calor (Olgyay, 1963). Al tiempo que el cuerpo irradia calor en todas direcciones, le llega radiación térmica, proveniente de las paredes, de otros cuerpos y objetos vecinos. Si la temperatura del cuerpo es mayor que la temperatura del medio que lo rodea, fluirá una cantidad de calor mayor desde el cuerpo hacia el exterior, aunque en general, la superficie del cuerpo humano absorbe extraordinariamente la radiación de onda larga.

El calor perdido por radiación varía en proporción directa de la diferencia entre la cuarta potencia de: 1) la temperatura de la superficie corporal, y 2) la temperatura media del

116

medio ambiente. Por tanto, es imposible afirmar en forma exacta qué porcentaje del calor corporal se perderá por irradiación, a menos que se definan todas las condiciones que en un momento determinado rodean al cuerpo. Generalmente sólo se pierden pequeñas cantidades de calor del cuerpo por conducción directa desde la superficie corporal a los demás objetos como sillas, camas, etc.

Por otra parte, la pérdida de calor por convección (hacia el aire) representa aproxima-damente el restante 40 % del calor perdido por el cuerpo. El movimiento vibratorio de las moléculas de la piel puede aumentar el movimiento de las moléculas del aire que entran en contacto directo con ella. Sin embargo, una vez que la temperatura del aire inmediatamente vecino de la piel, resulta igual a la temperatura de ésta, ya no hay intercambio de calor desde el cuerpo hacia el aire. Por consiguiente, la conducción de calor del cuerpo al aire termina automáticamente, a menos que éste se desplace de manera que aire nuevo no calentado esté constantemente en contacto con la piel y se presente de esta manera el fenómeno de la convección. Una persona desnuda sentada en una habitación de temperatura agradable (condiciones de comodidad), sin corrientes de aire, pierde el 12 % aproximadamente de su calor por convección natural (Butera,1998).

El efecto de enfriamiento del viento a baja velocidad es proporcional a la raíz cuadrada de su velocidad. Sin embargo, cuando la velocidad del viento excede de unos cuantos kilómetros por hora ya no se produce enfriamiento adicional en grado considerable, pues el viento ha enfriado la piel hasta la temperatura del propio aire. La velocidad con la cual el calor pasa del interior del organismo a la piel es entonces el factor que rige la rapidez con la cual se pierde calor.

Cuando el agua se evapora de la superficie corporal, se pierden 2.5 kJ (0.6 kcal) por cada gramo de agua evaporada. El agua se evapora insensiblemente pero de manera constante por la piel y los pulmones. Ello provoca una pérdida continua de calor del orden de 50 a 75 kJ (12 a 18 kcal) por hora. Esta evaporación insensible de agua no se puede controlar para regular la temperatura, pero la pérdida de calor por evaporación se puede moderar regulando la intensidad del sudor.

Cuando la temperatura del medio es mayor que la de la piel, en lugar de perder calor el cuerpo lo gana por radiación y conducción procedente del medio vecino. En tales circunstancias, el único medio por el cual el cuerpo puede perder calor es la evaporación.

117

El clima húmedo tiene influencia sobre la pérdida de calor por evaporación. Los días de verano calientes y húmedos son muy molestos, debido a que el sudor corre por la superficie corporal más profusamente que en estado normal, ocurre así porque el aire ya está humedecido casi hasta la saturación. Por lo que la intensidad de evaporación puede estar considerablemente disminuida, o totalmente anulada, de manera que el sudor secretado persiste en estado líquido. Así la temperatura del cuerpo se acerca a la temperatura del medio, o se eleva por encima de ella a pesar de que el cuerpo sigue sudando.

La falta de movimiento del aire evita la evaporación, que significa el enfriamiento eficaz por conducción de calor hacia el aire. Los vestidos aprisionan capas de aire junto a la piel y en la textura de la ropa, por lo cual aumenta el espesor de la zona aislada y disminuyen las corrientes de convección. Entonces, la intensidad de pérdida calorífica del cuerpo por conducción disminuye considerablemente. La mitad, aproximadamente, del calor transmitido desde la piel a los vestidos se pierde por radiación en ellos, en lugar de ser transmitido a través de los espacios pequeños que quedan. La eficacia del vestido para evitar la pérdida de calor desaparece casi por completo si el tejido de la ropa se humedece, pues el aire aprisionado que es el que actúa como aislante, es sustituido por agua; de hecho, los intersticios del vestido quedan llenos de agua. La ropa húmeda posee una tasa de transferencia de calor de 20 veces o más la tasa de la ropa seca.

El vestido, que es permeable para la humedad, permite una pérdida casi normal de calor por el cuerpo, gracias a la evaporación; cuando hay producción de sudor, el propio sudor puede empapar el vestido y se produce la evaporación, no en la piel sino en la superficie del vestido. Ello enfría el vestido, lo cual a su vez, enfría la piel. El límite inferior de la temperatura a la cual puede llegar el vestido, es la temperatura de bulbo húmedo del aire atmosférico; en zonas desérticas esta temperatura está muy por debajo de la temperatura de bulbo seco del ambiente.

Si el organismo llega a tener una temperatura debajo de 37°C se activan diversos mecanismos que aumentan la producción de calor, especialmente el aumento de actividad muscular que culmina en escalofríos.

Además del mecanismo termostático para el control de la temperatura corporal, el cuerpo tiene otro mecanismo destinado al mismo fin y más potente todavía, que consiste

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en el control de la conducta del individuo en relación con la temperatura, que puede explicarse así. Siempre que la temperatura se eleva demasiado, hay señales provenientes del área prepótica del encéfalo que proporcionan la sensación psíquica de exceso de calor.

Por lo anterior, la persona efectúa ajustes adecuados del ambiente para restablecer su sensación de bienestar y comodidad en ambos casos. Éste, generalmente conlleva a la disminución en la productividad del individuo, razón por la cual, es importante tratar de lograr las condiciones de comodidad térmica dentro de las habitaciones.

Los tipos evidentes de ajuste de conducta incluyen: selección de vestidos, desplaza-miento del cuerpo hacia un ambiente diferente, aumento de calor o de frío propor-cionados ya sea por calentadores adecuados o por acondicionamiento del aire, etc.

Hasta ahora se ha centrado la importancia del tema en sus repercusiones sobre la salud del hombre y en su eficiencia en el trabajo, aunque esto no quiere decir que no tenga otras implicaciones. El resto del capítulo se enfoca a los aspectos técnicos de la fabricación de ventanas especiales para el control de la radiación solar, las cuales son un elemento constructivo importante para un edificio o un barrio, técnicamente bien diseñados. Mucha de la ganancia o pérdida de calor en una edificación se da principalmente a través de las ventanas; el control de esos flujos de energía por medio de filtros solares se traduce en ahorros significativos en el consumo energético de los equipos térmicos y de iluminación que estén instalados en la edificación.

3.3 Irradiancia solar

La mayor parte del aprovechamiento de la energía solar se realiza en la superficie terrestre y entonces, resulta de interés considerar cómo influye la atmósfera en la irradiancia que nos llega del Sol y la cantidad de radiación que recibimos de esta estrella.

La fig 3.3 reproduce el espectro solar fuera de la atmósfera terrestre, es decir, la irradiancia que recibimos directamente desde el espacio proveniente del Sol. La curva tiene forma de campana y representa el espectro de emisión de un cuerpo negro a una temperatura aproximada de 6 000 K, que es la temperatura superficial del Sol.

119

Fig 3.3 Traslapo de la irradiancia solar que recibe la tierra y la transmisividad∗ del vidrio cal-sosa común. Ambos espectros están a la misma escala en el eje de las abscisas (la longitud de onda). Nótese que el vidrio es muy transparente a la luz solar y el infrarrojo cercano

Integrando el área bajo la curva nos da lo que se conoce como la constante solar (1 353±21 W/m2), que es la máxima cantidad de energía que recibe una superficie orientada perpendicularmente al Sol en ausencia de atmósfera en un instante dado. Como se puede observar, la irradiancia solar se restringe a un intervalo de longitud de onda entre 250 a 3000 nm. Las hendiduras que se observan se explican por la absorción de partes de la energía radiante por algunos de los gases que componen la atmósfera terrestre.

3.4 Ventanas como elemento de control térmico

Tradicionalmente se piensa en la ventana de una edificación como algo inherente a la edificación misma, un elemento decorativo e indispensable para la conexión psicológica del interior con el exterior y así crear la ilusión de un único espacio.

120

∗ A lo largo del texto se usa el sufijo ividad al hablar de la radiación transmitida, reflejada y absorbida. De

acuerdo con las definiciones discutidas por Siegel y Howell en su libro: Thermal Radiation Heat Transfer.

La arquitectura contemporánea, con sus estructuras de acero y hormigón, ha revolucionado su uso, extendiéndolo hasta convertir a los edificios en verdaderas cajas de cristal. El cambio fue rápido, propio del vertiginoso desarrollo tecnológico, encontrando al arquitecto muy preocupado por los aspectos formales, pero poco informado sobre las consecuencias técnicas. Se ha dejado llevar muchas veces por influencias foráneas, sin analizar la adecuación de los ejemplos a medios diferentes del propio. Sin embargo, los arquitectos tienen cada vez más en cuenta su utilidad como un elemento que proporciona un servicio ecológico; esto es cierto puesto que con la ayuda de las ventanas, se puede hacer más confortable una habitación, en primer lugar con el control de la iluminación del interior y en segundo como un control del paso del calor; estos dos factores contribuyen grandemente en el ahorro del consumo energético de la edificación.

Cuando la irradiancia solar incide en un cuerpo se absorbe, refleja y/o transmite. Enten-diéndose por transmitida la energía que atraviesa el cuerpo por transparencia, como ocurre en el aire o el vidrio. La energía absorbida se transforma en energía térmica o calor.

El vidrio es el material más utilizado para la fabricación de ventanas. Su composición química es variada y depende de la materia prima utilizada en su elaboración y del proceso de ésta. La sustancia que comunica color a un vidrio convencional es, en general, el hierro, que incluso en proporciones de centésimas por ciento colorea, según sea el estado de oxidación de este metal, de verde azulado, verde amarillento o incluso pardo negruzco cuando está en presencia de azufre. El hierro ferroso (Fe2+) colorea con más intensidad que el férrico (Fe3+). En el vidrio coexisten ambos grados de oxidación. Los vidrios con 1 % de óxido de hierro son todavía azules si el 0.3 % está en forma de óxido ferroso (FeO) y el 0.7 % como óxido férrico (Fe2O3). Los vidrios con 3 % de óxido de hierro son verdes si cuentan con 0.7 % de FeO y 2.3 % de Fe2O3 (Salmang, 1962).

Para las aplicaciones en energía solar, su contenido de hierro 2+ es de suma importancia; si es baja la cantidad de óxido ferroso (FeO), el vidrio absorberá muy poco de la irradiancia solar. En el caso de que el contenido de FeO sea alto, el vidrio tendrá baja transmisividad en el intervalo del infrarrojo del espectro solar, es decir, será muy absorbente del infrarrojo (fig 3.4). El Fe2O3 absorbe en el ultravioleta. En México, el vidrio que más se utiliza es el de cal-sosa (sódico-cálcicos o soda-lime, en inglés), con contenido de óxidos de hierro de aproximadamente 0.10 %. La composición química aproximada de este vidrio es: 67.7 % SiO2, 15.6 % Na2O, 5.6 % CaO, 0.6 % K2O, 2 %

121

BaO, 4 % MgO, 2.8 % Al2O3,1.5 % B2O3 y 0.1 % Fe3O4 (FeO+Fe2O3) (Martínez, 1997). A este tipo de vidrio se le denominará a continuación vidrio común (fig 3.4).

La conductividad térmica del vidrio común es 1.2 W/mºC, un valor relativamente alto, similar al de un hormigón o un ladrillo macizo; pero en el caso que se estudia, lo que cuenta es el pequeño espesor del vidrio junto con la elevada capacidad de conducir el calor, que lo convierte en un material por el cual circula la mayor parte del calor que entra o sale de una habitación. Una lámina de vidrio común de 5 mm de espesor tiene una resistencia térmica y una capacidad de amortiguación iguales a un ladrillo de 4 mm de espesor. Una ventana compuesta por dos vidrios con cámara de aire no ventilada presenta una resistencia equivalente a una pared de ladrillos macizos de 14 cm y una amortiguación similar a una de 10 cm de espesor. Las cortinas y otros dispositivos de protección que forman parte del cerramiento no modifican estos valores; no se toman en cuenta en los cálculos ya que siempre dejan intersticios por donde circula el aire y además, porque nunca se tiene la seguridad de que los habitantes del edificio los manejen correctamente en el momento oportuno.

Normalmente el problema creado por la baja resistencia térmica de construcciones que emplean los materiales citados se resuelve con equipos calefactores o de aire acondicionado. La elevada conductividad térmica de la ventana hace que para climas templados, la temperatura superficial del vidrio llegue a 6 o 7ºC en algunos días de invierno, creando condiciones inadecuadas de habitabilidad térmica, aun cuando la temperatura del aire interior se mantenga en los 20ºC. En este caso existe una elevada pérdida de calor hacia el exterior a través del vidrio que es necesario suministrar artificialmente para conservar la temperatura de la habitación. En el verano las consecuencias son todavía peores pero en sentido opuesto.

3.4.1 Vidrio común

El comportamiento de los cuerpos cuando reciben energía radiante es selectivo, lo que significa que la cantidad de energía que absorben, reflejan o transmiten depende de la longitud de onda del rayo incidente. Con el vidrio sucede un fenómeno similar; para un rayo que incide perpendicularmente sobre la superficie (dirección normal a su superficie) de una lámina de vidrio común de unos 4 mm de espesor, el 80 % de su energía se transmitirá por transparencia y el 20 % restante será reflejado y absorbido (fig 3.5).

122

Fig 3.4 Transmisividad espectral para vidrios de 6 mm con diferentes proporciones de

óxido ferroso (Duffie y Beckman, 1991)

Fig 3.5 Balance de energía para la irradiación incidente en una ventana de vidrio común

123

Se concluye entonces que ese vidrio común es muy transparente a las longitudes de onda entre 400 y 2 800 nm, es decir, en una banda que incluye a las radiaciones visibles, al infrarrojo cercano y a parte del infrarrojo medio (véase fig 3.3). A partir de este límite la transmisión desciende bruscamente hasta que después de los 4 000 nm el vidrio pasa a comportarse como un material opaco a la radiación incidente; sólo se refleja una pequeña cantidad de la energía incidente; el resto es absorbida por el vidrio y convertida en calor de longitud de onda larga.

Cuando el rayo no es normal al plano y su ángulo de incidencia aumenta, la energía reflejada se hace cada vez mayor, en tanto la transmitida y la absorbida van disminuyendo, aunque conservando aproximadamente, entre ellas, la proporción establecida anteriormente.

En la fig 3.3, se representa la composición del espectro solar y el espectro de transmitancia del vidrio común, tomando en abscisas la misma escala. Analizando las dos gráficas de la figura llegamos a la conclusión de que el vidrio común es muy transparente a toda la radiación solar.

Se analizarán ahora los fenómenos térmicos que ocurren en una habitación cerrada con una ventana (figs 3.6 y 3.7), cuando un rayo de Sol incide sobre un vidrio del tipo de vidrio cal-sosa, con comportamiento espectral similar al de la fig 3.3. La mayor parte de esa energía pasa, por transparencia, hacia el interior donde calienta el aire y es absorbida y reflejada por los cuerpos del espacio interior. La energía absorbida por los cuerpos se transforma en calor, por lo que provocará una elevación de la temperatura del medio. ¿Qué posibilidades tiene esta irradiancia que atravesó el vidrio de regresar al exterior? Dicha energía saldrá a través de la ventana principalmente por convección y por radiación. También existirá transferencia de calor por conducción pero sólo en el momento de atravesar al vidrio. Veamos con más detalle este mecanismo.

En locales cerrados la trasmisión del calor por convección constituye un proceso lento, ya que primero debe calentarse el aire; después, mediante movimientos convectivos, éste llegará hasta la cara interna del vidrio, de donde se transmite por conducción hasta la cara externa del vidrio, el cual lo transmitirá en parte al exterior por convección nuevamente.

124

Fig 3.6 Distribución de la energía incidente sobre un vidrio; la energía

absorbida se irradia hacia el interior y hacia el exterior

Fig 3.7 Representación del fenómeno de reemisión de energía desde el interior de una habitación hacia el exterior (Bansal et al, 1994)

La otra forma de transmisión del calor es por radiación; sin embargo, la energía que viaja a través de la habitación por radiación es la emitida por los cuerpos presentes en el interior, que es energía radiante de onda larga (alrededor de 9 000 nm). El vidrio es opaco a esa longitud de onda. Opacidad al infrarrojo significa comportarse como un cuerpo negro. Entonces, el vidrio actúa como una esponja en la presencia de la radiación infrarroja que ha sido reirradiada por los objetos del interior; absorbe esa radiación y después la reirradia al exterior (fig 3.7).

125

3.4.2 Parámetros ópticos de un cuerpo translúcido

Llamando Ei a la energía de la radiación incidente en un cuerpo translúcido y Eα, Eρ y Eτ a las porciones de energía absorbida, reflejada y transmitida, respectivamente, se tendrá

Eα + Eρ + Eτ = Ei (3.1)

dividiendo entre Ei

1=++iii E

EEE

EE τα ρ (3.2)

Se conocen a los cocientes iii E

yE

,E

τα como coeficientes de absorción (α), de

reflexión (ρ) y de transmisión (τ), respectivamente. Por tanto

EEE ρ

α + ρ + τ = 1 (3.3)

Estos coeficientes reciben el nombre de absortividad (α), transmisividad (τ) y reflectividad (ρ).

Los parámetros ópticos, transmisividad τ, reflectividad ρ, y absortividad α, son función del ángulo de incidencia, así como de la longitud de onda. La notación en letras griegas empleada hasta ahora para dichas propiedades se utiliza para el caso de sustancias puras ideales y homogéneas. En este trabajo, cuando se mencionen sistemas compuestos por diversos materiales o sustancias, la energía reflejada, absorbida y transmitida de todo el conjunto, se simbolizará de la siguiente forma: R para la reflectividad, T para la transmisividad y A para la absortividad. Se ha seguido la nomenclatura establecida por Siegel y Howell en su libro Thermal Radiation Heat Transfer.

Los materiales se comportan selectivamente con respecto a la radiación incidente. Esto significa que la cantidad de energía que absorben, reflejan y transmiten es diferente para cada longitud de onda y para la dirección con que incide esta energía. Así, por ejemplo, al estudiar el comportamiento de un vidrio común ante las diferentes longitudes de onda, se llega a una representación de sus propiedades como la que se presenta en la fig 3.4, donde se grafican la transmisividad versus la longitud de onda.

126

Tal y como se indicó, para una superficie transparente, como es el caso de una ventana hecha de vidrio común, sólo una parte de la irradiancia solar incidente la atraviesa, la restante es reflejada y absorbida por el material; parte de la energía absorbida más tarde será emitida como infrarrojo de onda larga. Esto se representa en la fig 3.5, donde la energía solar admitida hacia el interior es de 84 % aproximadamente, cifra que se obtiene de sumar la transmisividad y la energía absorbida reirradiada al interior.

3.4.3 Propiedades ópticas de un sistema vidrio-película delgada

Para mejorar la apariencia y propiedades de las ventanas, se recubren los vidrios con otros materiales y de esta manera se consiguen ventanas o mejor dicho, filtros de radiación solar. Existen diferentes tipos, por ejemplo, unos con características de alta reflectividad y poca transmisividad de luz visible y calor, como serían los vidrios polarizados, otros son más selectivos y bloquean el paso del calor y permiten el paso de la mayor cantidad de luz visible.

A fin de conocer el comportamiento de un filtro solar, se evalúan sus propiedades ópticas y radiantes. Experimentalmente, no es posible medir todas estas propiedades; de hecho las más comunes son la transmisividad y reflectividad espectral. La transmisividad espectral se mide a un ángulo de incidencia normal a la superficie (perpendicular), por medio de espectrofotómetros. En lo que respecta a la reflectividad espectral, ésta puede ser especular o difusa y se mide con los reflectómetros. La reflectividad especular mide la intensidad de energía de los rayos reflejados a un ángulo de 5º con respecto a la normal, mientras que la radiación difusa proveniente de la muestra es reflejada dentro del dispositivo en todas las direcciones.

La predicción de las propiedades de sistemas compuestos, como es el caso de un sustrato de vidrio con recubrimiento sobre una de sus caras, requiere más información que la reflectividad y transmisividad de la cara recubierta, para lo cual se tienen las siguientes ecuaciones (Rubin et al, 1998), que permiten caracterizar a la ventana y poder simular su comportamiento para diferentes ángulos de incidencia:

21 sf

cs

scsc rr

Tτ−

−= (3.4) ( )1 tr τ

127

( )2

22

11

sf

cs

sf

css

fc rr

rrrτ

τρ−−

+= (3.5)

2

22

1 sf

cs

sscbc

bc rr

rtrτ

τρ−

+= (3.6)

donde

subíndice c cara con recubrimiento subíndice s sustrato superíndice f cara frontal superíndice b cara posterior t transmisividad interfacial sustrato-recubrimiento r reflectividad interfacial τ transmisividad interna T transmisividad total ρ reflectividad total

A fin de conocer la influencia del ángulo de incidencia, se introduce el siguiente término en τs

−

== θτ cosKL

i

ts e

II (3.7)

donde

Ii irradiancia incidente It irradiancia transmitida K coeficiente de extinción del recubrimiento L espesor de la película θ ángulo de incidencia

La luz solar en muy raras ocasiones incide perpendicularmente sobre la superficie de una ventana, llega en ángulos bajo los cuales la transmisividad y la reflectividad difieren de modo importante de los valores medidos en el laboratorio. Éstos últimos se miden a un ángulo normal a la superficie (0º) y son los que se reportan generalmente en las especificaciones ópticas de los fabricantes o en los artículos de revistas especializadas.

128

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60 80 1

Ángulo de incidencia

T sol

nor

mal

izad

a

sencillodobletriple

Vidrio flotado

00

Fig 3.8 Se observa la dependencia de la transmisividad, en una ventana de vidrio flotado común, al del ángulo de incidencia de la luz solar (Karlsson et al, 2001). A partir de 60º ocurren cambios importantes

Por eso, se necesitan ecuaciones confiables que incorporen el efecto del ángulo de incidencia y permitan calcular las propiedades de las ventanas en diferentes circuns-tancias más cercanas a la realidad. Véase la fig 3.8, donde un ángulo de incidencia de 0º significa también incidencia perpendicular. Las ecuaciones anteriores tienen la ventaja de incorporar tal efecto.

3.4.4 Efectos de los recubrimientos en vidrios arquitectónicos

Los grandes edificios modernos con fachadas cubiertas casi por completo con cristales son cada vez más numerosos y muy valorados en nuestra sociedad. Si bien son atractivos visualmente, tienen la desventaja de que en el interior de la construcción hay una alta o baja ganancia térmica —debido a las condiciones del tiempo a lo largo del año, pues habrá días cálidos y días fríos— a causa del elevado porcentaje de vidrio exterior. Este problema se suele atacar aumentando los dimensionamientos de los equipos de aire acondicionado y/o de calefacción, lo que conduce a que se incrementan los gastos de instalación y operación del edificio.

No obstante, existe otra solución cada vez más frecuente, al exceso de ganancia térmica hacia el interior. Ésta es colocar en los vidrios recubrimientos altamente reflejantes, pero que generalmente tienen elevadas absortividades, con respecto a los vidrios normales. Dichos recubrimientos les confieren las coloraciones verdosas, azuladas y grisáceas que todos hemos visto en los grandes edificios.

129

Surgen entonces otras dificultades. La primera es la reducción de la transmisividad en el visible; sin embargo, el ojo humano no percibe gran disminución de la visibilidad puesto que el flujo luminoso del interior es menor al exterior. La segunda, consecuencia de la primera, es que la iluminación natural dentro del edificio se ve disminuida y, por tanto, se hace necesario recurrir a mayor iluminación artificial. Además de los costos que representa la instalación de la iluminación eléctrica, su baja eficiencia provoca aumento en la carga térmica por la disipación de calor de las lámparas.

La solución se encuentra entonces en ventanas selectivas a la radiación, que impidan el paso del calor pero que no afecten a la luz visible. La fabricación de vidrios con bajo coeficiente de transferencia de calor (U) basados en películas de baja emisividad o empleando varias películas con diferentes propiedades, depositadas sucesivamente sobre la superficie del vidrio es una de las soluciones; otra es la instalación de ventanas con doble vidrio donde el espacio entre los vidrios está al vacío (presiones muy bajas) o se encuentra relleno con algún gas de baja conductividad térmica.

3.4.5 Cromogénesis

Recubrimientos de películas delgadas ópticamente activos son aquéllos capaces de modificar sus propiedades ópticas de acuerdo con cambios en las condiciones a las que estén expuestos. Esta capacidad de respuesta a los efectos del medio ambiente se puede conseguir mediante una serie de procesos físicos y químicos en gran número de sustancias. Dicho fenómeno recibe el nombre de cromogénesis, término derivado de las palabras χροµα = croma (color) y γενεσιξ = génesis (creación), creación de color. Son cuatro los mecanismos principales, responsables de la variación reversible de las propiedades ópticas. Sin embargo, los sistemas pasivos son los más conocidos y los más empleados por su relativa simplicidad y facilidad de fabricación. Los sistemas activos son más complejos e incorporan diversos componentes, a excepción de los fotocrómicos y los termocrómicos. Los vidrios arquitectónicos ampliamente utilizados en la construc-ción de edificios son un ejemplo. Un sistema pasivo no modifica sus propiedades sea cual sea la condición del medio, su transmisión y absorción de radiación solar, por ejemplo, permanecerá constante sea de día o de noche.

Fotocromismo. Se define como un cambio en su absorción óptica, que se realiza cuando el material se expone a diferentes tipos de radiación (hν)∗. Las propiedades originales se

∗ La energía de una onda electromagnética es igual al producto hν, donde ν es la frecuencia de la onda (la velocidad

de la luz multiplicada por el inverso de la longitud de onda, c/λ); h es la constante de Planck (6.6262x10-34 J s).

130

restablecen cuando dejan de recibir la radiación. Este tipo de materiales resultan los más conocidos, pues han tenido gran aplicación en vidrios, básicamente en la fabricación de anteojos; sin embargo, su estudio en películas delgadas es reducido.

Termocromismo. Es el cambio de las propiedades ópticas en función de la temperatura. Los compuestos al calentarse modifican de manera reversible su reflectividad, transmisividad, absortividad, conductividad, etc, y regresan a sus propiedades originales cuando se enfrían.

Electrocromismo. Se presenta exclusivamente en películas delgadas. Es el cambio de las propiedades ópticas por la aplicación de una diferencia de potencial, que tiende a restablecerse al aplicarse el voltaje opuesto. Tecnológicamente son los recubrimientos más atractivos, pues se puede controlar la transmisividad a voluntad, puesto que el voltaje es regulado según los intereses del usuario.

Sistemas de cristal líquido. Es parecido en cierto modo al electrocromismo. El meca-nismo básico es el campo eléctrico producido por dos electrodos transparentes; cuando se modifica la dirección del campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido cambian de orientación. La modulación óptica se da con la ayuda de moléculas de un colorante disperso entre el cristal líquido.

Los procesos físicos y químicos que ocurren en el fenómeno de la cromogénesis son varios y están relacionados entre sí, por lo que resultan de gran interés científico; se presentan transporte iónico, transporte electrónico, cambios en la composición química, variación del potencial químico, formación de centros de color, aparición de efectos de barrera interfacial, etc. Para entender todos estos procesos, mecanismos y efectos es necesario recurrir a la química y física del estado sólido, ciencia y tecnología para la fabricación de películas delgadas, fenómenos de superficie, electroquímica, técnicas de análisis y caracterización de compuestos, y física de polímeros, entre otras disciplinas.

Actualmente, se han descubierto gran variedad de recubrimientos ópticamente activos. La mayoría de las investigaciones han documentado óxidos de metales de transición (Lampert y Granqvist, 1989) y, predominan los estudios del electrocromismo (Lampert, 1995), ya mencionado, que resultan los más atractivos comercialmente por su gran gama de aplicaciones.

131

Fig 3.9 Los cuatro mecanismos principales causantes de la cromogénesis. En el termocromismo y en el sistema por cristal líquido es instantáneo el cambio de la transmisividad (Lampert y Granqvist, 1989)

Otra serie de compuestos que ganan popularidad son los polímeros para aplicaciones en electrocromismo.

132

Nuestras investigaciones se han enfocado en compuestos de cobre y vanadio, óxidos principalmente, fáciles de manejar y de fabricar, con propiedades ópticas apropiadas para los usos y climas de nuestro país.

3.5 Fabricación de ventanas selectivas de la radiación solar

La técnica que se utilizó para el depósito de las películas selectivas fue la erosión iónica o sputtering, que está catalogada dentro de las técnicas que depositan películas delgadas por medios físicos (PVD)∗. Esta técnica es muy empleada industrialmente para la producción de recubrimientos de ingeniería y otros para todo propósito. Algunas de sus aplicaciones son recubrimientos con bajo coeficiente de fricción o con elevada dureza para piezas mecánicas, metalizado de papel o plástico, recubrimiento de componentes electrónicos, depósito de las diferentes capas que conforman los discos compactos, fabricación de vidrios arquitectónicos.

Como el proceso de depósito se realiza en alto vacío, se garantiza la pureza y calidad del mismo pues no sufre contaminación de agentes extraños presentes en la atmósfera. Se tiene también un gran control sobre todas las variables del proceso, lo que simplifica la operación de los equipos y posibilita obtener una variada gama de recubrimientos.

La erosión iónica involucra un bombardeo de iones sobre la superficie del material que va a depositarse. Los iones son acelerados y chocan con energías de 500 eV aproximadamente; esta energía la transfieren a las partículas que son arrancadas y que eventualmente se depositan sobre el sustrato o pieza por recubrir. Como las partículas se aceleran a causa de toda la energía que llevan, inciden con fuerza en el sustrato dando por resultado que se adhieran firmemente. Los recubrimientos fabricados con erosión iónica presentan gran adhesión y, por tanto, mayor resistencia a la corrosión que con técnicas de depósito por evaporación térmica o de baño químico; asimismo, son muy uniformes y homogéneos. Las películas producidas no presentan regiones gruesas o delgadas, lo que las hace excelentes candidatas para aplicaciones en óptica. Finalmente, al ser una tecnología madura ampliamente difundida y con diversos usos industriales, es viable la futura producción en gran escala de las ventanas propuestas en este capítulo.

∗ Por sus siglas en inglés: physical vapour deposition.

133

3.5.1 Depósito de películas pasivas de Cu2O y CuS

Se describe el proceso seguido para fabricar ventanas selectivas de óxido cuproso Cu2O y sulfuro de cobre (CuS). En un principio se produjeron ventanas con un recubrimiento exclusivo de óxido cuproso y en una segunda etapa se combinó este compuesto junto con otra película de sulfuro de cobre.

Se colocó el sustrato de vidrio de 600 x 400 mm frente a dos magnetrones planos de 250 x 125 mm (fig 3.10) (la técnica que hace uso de los magnetrones planos se expone detalladamente en el cap 2, sobre Desarrollo de espejos para concentradores solares). El sustrato es vidrio flotado comercial de 3 mm de espesor. A continuación, se procedió a eliminar los restos de impurezas de la superficie del vidrio con una descarga de un plasma de baja energía, mejor conocido como descarga luminosa durante 20 minutos y, posteriormente, se depositó una película de óxido cuproso. Para ello, se introdujo argón al interior del tanque hasta una presión de 8 x 10-3 Torr y con la fuente de corriente directa se le aplicó al sistema un voltaje de 810 V, con baja potencia (200 W). La erosión iónica o sputtering con los magnetrones se inicia cuando el potencial entre los electrodos alcanza valores de 400 a 500 V. Como el blanco de cobre está negativamente polarizado —también se le denomina cátodo—, los iones Ar+ lo bombardean arribando con energías del orden de 100 a 500 eV. Los átomos en la superficie del cobre están unidos por energías inferiores a 10 eV (energía de sublimación) y la energía promedio de aquellos que son desprendidos es de 10 a 40 eV; el resto de la energía se disipa en el magnetrón en forma de calor.

Al argón que compone el plasma se incorporó un porcentaje de oxígeno, que varió de 20 a 35 %, para asegurar que las moléculas de Cu reaccionaran al momento de viajar a través del plasma para depositarse en el sustrato. Un análisis por XPS (ESCA), fig 3.46 de la pág 170, comprobó que ese porcentaje de oxígeno producía películas de la estequiometría deseada: dos átomos de cobre por uno de oxígeno.

El tiempo de depósito fue de aproximadamente 10 minutos lo que permite obtener espesores de óxido cuproso del orden de 100 nm a una potencia de 350 a 400 W.

Al momento de realizar la erosión iónica, el sustrato de vidrio se mantiene en continuo movimiento con ayuda de un motor adaptado para tal fin con objeto de abarcar el área ya señalada de 600 x 400 mm para asegurar un depósito uniforme.

134

Fig 3.10 Vista del interior de la cámara de evaporación. Se aprecian dos magnetrones y el soporte para mover el vidrio (placa de la derecha). La alimentación eléctrica y el agua de enfriamiento entran por el tubo que se observa a la izquierda de la fotografía

Con el fin de mejorar las propiedades espectrales de la película de óxido cuproso, se agregó a ésta una película de sulfuro de cobre II. Para hacer el depósito del sulfuro de cobre II se partió de la película fabricada por sputtering, a la cual se le hizo pasar una corriente de ácido sulfhídrico (H2S), con lo que se formó una capa de CuS sobre la superficie del blanco de cobre. El tiempo de exposición fue de 1 a 2 h según el volumen de gas producido.

Se aplicó otra metodología para el depósito del sulfuro de cobre II, que consistió en extraer el blanco de cobre de la cámara de evaporación y someterlo a exposición con ácido sulfhídrico durante 2 h, para formar en la superficie del blanco de cobre una capa delgada de sulfuro. A continuación, se le reintroduce en la cámara para proceder con la erosión de esta película sulfurada que se deposita sobre la de óxido cuproso.

Siguiendo la primera metodología descrita para la formación del H2S se pudo mejorar la calidad del depósito de sulfuro de cobre, pues producirlo por sputtering no permitía abarcar una gran área ni asegurar que el depósito fuese exclusivamente de CuS, debido a que durante el proceso se agotaba rápidamente este material. El CuS depositado por erosión iónica era previamente producido sulfurando el blanco de cobre 99.99 % con una corriente de ácido sulfhídrico, bajo condiciones de baja temperatura lo que generaba

135

una capa muy delgada de CuS que al agotarse era cubierta por otra de cobre metálico, siendo esta última indeseable.

Se obtuvieron ventanas con una coloración gris amarillento, resultado del amarillo del Cu2O y el tono grisáceo del CuS. El espesor de la película de CuS fue de aproximadamente 40 nm.

Comercialmente es posible adquirir blancos de CuS; sin embargo, la falta de recursos impidió que se comprara por lo que se tuvo que recurrir a la producción en el laboratorio por los métodos químicos ya descritos.

3.6 Propiedades y comportamiento de las ventanas selectivas de la irradiancia solar

3.6.1 Desempeño de las películas de óxido cuproso

A continuación, se presenta el comportamiento espectral de diferentes muestras de óxido cuproso producidas en nuestro laboratorio, mediante un plasma reactivo de Ar-O2. Las películas presentan una agradable coloración amarilla y alta luminosidad, salvo la muestra 11-3-01 (fig 3.11).

Los espectros se obtuvieron en los laboratorios del Centro de Investigación en Energía, en Temixco, Mor. Se midieron reflectividades y transmisividades. Se utilizó un espectrofotómetro Shimadzu VIS-NIR modelo 3101.

En todas ellas, se observa que en el infrarrojo hay una transmisividad (T) de aproximadamente 50 a 60 % de la radiación. Con respecto al visible, la radiación es bloqueada de un 25 a 40 % (transmisividad del 75 a 60 %). Las muestras alcanzan sus valores más altos en el visible (380 a 760 nm) y en el infrarrojo cercano (hasta 1100 nm), lo que manifestará una alta luminosidad en el interior de una habitación que cuente con este tipo de ventanas. En conclusión, se puede decir que este depósito reduce a la mitad la transmisión de calor y sólo un tercio de la luz visible.

La muestra 11-03-01 presenta un corrimiento, resultado de una diferente composición química con respecto a las demás. De hecho esta muestra presenta presencia de óxido cúprico, como lo comprueban los estudios en espectrofotometría de infrarrojo cuyos resultados se dan en el capítulo siguiente. El comportamiento que siguen las muestras 12-03-01 y 18-03-01 se debe a su mayor espesor con respecto a la 18-03-02.

136

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

290 490 690 890 1090 1290 1490 1690 1890 2090 2290 2490

Longitud de onda, en nm

Tran

smis

ivid

ad, e

n po

rcen

taje Vidrio claro

18-03-0118-03-02

12-03-01

11-03-01

VIS INFRARROJO

Fig 3.11 Transmisividad de muestras de Cu2O fabricadas sobre vidrio claro de 3 mm, por erosión iónica

0

20

40

60

80

100

200 600 1000 1400 1800 2200Longitud de onda, en nm

Tran

smis

ivid

ad, e

n po

rcen

taje

Sustrato

Cu2O

Cu2O-CuS

Fig 3.12 Transmisividad espectral de los filtros de óxido cuproso (Cu2O) y de óxido cuproso-sulfuro de cobre (Cu2O-CuS)

Un espesor grande resultará en la aparición de más picos y en un ligero desplazamiento

hacia debajo del espectro. Este desplazamiento es señal de que se está dejando pasar

menos radiación. Al observar con cuidado los picos principales, se percibe que

137

coinciden en las tres muestras aproximadamente en los 650 nm, lo que es indicio de su

misma composición química, en este caso óxido cuproso.

Para obtener un filtro solar eficiente, se requiere que la transmisividad en el infrarrojo

sea la más baja posible y en el visible lo más elevada. De esta manera la ventana

bloquea en su mayor parte el calor incidente sin reducir su visibilidad. La película sola

de óxido cuproso resulta insuficiente para obtener un filtro solar capaz de ser

comercializado; es necesario optimarlo para que su bloqueo del infrarrojo sea mayor;

por ello se diseñaron sistemas de diversas películas.

Se fabricaron otro tipo de películas muy delgadas (de 10 a 20 nm de espesor) de sulfuro

de cobre II sobre la de óxido cuproso. Con el fin de obtener una ventana con menor

transmisividad en el infrarrojo, sin afectar el comportamiento en el visible de la misma,

se seleccionó este compuesto (Nair MTS y Nair PK, 1991). Por tanto, se tuvo una

ventana capaz de controlar más eficientemente el paso de la radiación infrarroja

teniendo un par de capas que proporcionen poca transmisividad del infrarrojo. Estas

ventanas presentaron una coloración gris amarillento, resultado del amarillo del Cu2O y

el tono grisáceo del CuS.

La fig 3.12 presenta la transmisividad espectral VIS-NIR de las películas de óxido

cuproso y la de la combinación de óxido cuproso-sulfuro de cobre. En ella se aprecia el

efecto de incorporar el sulfuro de cobre. Los espectros de las ventanas mostraron tener

una transmisividad en el infrarrojo inferior a 20 %, cifra que puede ser menor si se

aumenta el espesor de la película de sulfuro; sin embargo, esto implica disminuir la

transmisividad en el visible. Obsérvese la mejoría en la zona del infrarrojo a expensas

del visible. De hecho, en el visible su transmisividad está cercana a 30 % lo que

coincide con las mediciones reportadas por Nair et al (1997).

Se buscó que la combinación de las dos películas produjera una ventana que dejara

pasar la mayor cantidad posible de luz visible y bloqueara lo más posible de infrarrojo.

Su característica principal es no disminuir la visibilidad al evitar la excesiva entrada de

radiación infrarroja durante el día, mientras que, durante la noche, reduce la tasa de

pérdida de calor hacia el exterior.

138

Fig 3.13 Reflectividad y transmisividad de una muestra de Cu2O-CuS. La absortividad es calculada: A = 100 - (T+R)

0

20

40

60

80

100

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500


T, R

y A

, en

porc

enta

je

IRVISVentana Cu2O

Transmisividad

Reflectividad

Absortividad

Fig 3.14 Reflectividad y transmisividad de una muestra de Cu2O. La absortividad es calculada: A = 100 - (T+R)

En las figs 3.13 y 3.14 se observan los espectros de transmisividad (T), reflectividad (R) y absortividad (A) para los dos tipos de ventanas señalados hasta ahora.

El sistema de dos películas Cu2O-CuS tiene una tendencia de comportamiento parecido al esperado para una ventana de baja emisividad: baja reflectividad en el visible y alta en el infrarrojo, mientras que la transmisividad sigue el comportamiento opuesto (fig 3.15).

139

0

20

40

60

80

100

250 750 1250 1750 2250

VIS IR

T y

R, e

n po

rcen

taje


Transmisividad

Reflectividad

Fig 3.15 Representación teórica ideal de la reflectividad y transmisividad en un recubrimiento de baja emisividad (Johnson, 1991, Almanza y Muñoz, 1994)

Una película de baja emisividad como su nombre lo indica tarda en perder la energía que se encuentra en ella, es decir, la energía se emite más lentamente. Y esta energía se emite como radiación infrarroja de onda larga (mayor de 2 500 nm). Una ventana de baja emisividad absorbe energía solar y emite energía radiante característica de su temperatura. A una superficie con alta absorción en el espectro solar y baja emisividad en el intervalo de emisión de un cuerpo negro (a 6 000 K) se le llama superficie selectiva de la radiación solar.

La transmisividad es casi cero para la mayor parte de los materiales en la zona del infrarrojo con longitud de onda superior a 2 500 nm, lo que significa que una superficie de baja emisividad tiene alta reflectividad (ε = 1 - R) en esa región del espectro. Si el cuerpo es semigris, A = ε = 1 - R (Duffie y Beckman, 1991).

El conocimiento de cómo se comporta el infrarrojo es útil para evaluar el desempeño de las ventanas. Una ventana de baja emisividad rechaza (refleja) la radiación infrarroja si la temperatura exterior es mayor, por el contrario en invierno evitará que todo el calor del interior se escape (nuevamente lo refleja pero hacia adentro). Pero esto es verdad sólo para el infrarrojo de más de 2 500 nm. Para la radiación de longitud de onda inferior, la baja emisividad va dejando de significar alta reflexión conforme aumenta la transmisividad.

140

En los espectros de las figs 3.11 a 3.15 se evidencia que la transmisividad (T) no es constante en el visible, ni en el ultravioleta o el infrarrojo, lo mismo sucede con la reflectividad (R) y la absortividad (A). Con el fin de clasificar y de simular el comportamiento de un filtro solar por computadora para conocer cómo sería su desempeño a lo largo de un año ya puesto como ventana, es necesario obtener un valor promedio de sus propiedades ópticas; de esta manera la codificación del programa de computadora es más simple.

Hablar de un promedio de las propiedades ópticas (transmisividad, reflectividad, absortividad) de un cuerpo traslúcido no es lo más apropiado, pero brinda una idea de cómo es que un espectro como el de la figura anterior se puede convertir en una cifra que, a la postre, es el parámetro empleado para medir la calidad de dicho objeto.

Estas cifras se obtienen para cada región del espectro: ultravioleta, visible e infrarrojo. Cada región se divide en pequeños intervalos de igual energía (que no significan intervalos iguales de longitud de onda) y se integran todas las áreas bajo la curva definidas por los intervalos.

Con ayuda del programa TRABSOL, desarrollado en el Centro de Investigación en Energía, UNAM, se hicieron estos cálculos para algunas muestras. Los cuales fueron utilizados posteriormente en la simulación por computadora con TRNSYS y ENERGY-10 de las ganancias térmicas de una ventana con estos recubrimientos.

La tabla 3.2 indica los valores obtenidos de T, R y A (para las tres regiones del espectro solar) de las muestras de Cu2O y de Cu2O-CuS que aparecen en la fig 3.12.

La transmisividad total de la muestra de óxido cuproso es de 55 %, refleja 20 % y absorbe 25 % de la radiación solar que incide sobre ella; mientras que la muestra mejorada compuesta por una película de Cu2O y encima de ella otra de CuS posee una transmisividad total de 22 %, refleja 17 % y absorbe 60 % de la radiación solar.

TABLA 3.2 VALORES, INTEGRADOS POR ZONAS DEL ESPECTRO SOLAR, DE REFLECTIVIDAD Y TRANSMISIVIDAD, CORRESPONDIENTES A LAS MUESTRAS DE LA FIG 3.12

Composición de la película

RUV RVIS RIR TUV TVIS TIR TTOT RTOT A

Cu2O 7.26 13.3 25.2 0.93 51.7 60.8 55.2 19.6 25

Cu2O-CuS 11.2 15.1 19.5 1.4 25.1 21.4 22.4 17.4 60.1

141

0

10

20

30

40

50

60

200 600 1000 1400 1800 2200


Tran

smis

ivid

ad, e

n po

rcen

taje

Cu2O-CuS Cu-Cu2O Cu-Cu2O gruesa

Cu-Cu2O

Cu-Cu2O gruesa

CuS-Cu2O

Fig 3.16 Transmisividad espectral comparativa entre filtros a los que se añade a la película de óxido cuproso otra de sulfuro de cobre o de cobre

3.6.2 Ventana cobre-óxido cuproso

El procedimiento de fabricación de la ventana de Cu2O-CuS utilizado en este trabajo resulta en ciertos aspectos poco práctico, debido a que no se pueden fabricar las dos películas en una sola sesión, es necesario abrir la cámara de evaporación para depositar el sulfuro y eso induce algo de contaminación en la interfase de las dos películas por la adsorción de impurezas del aire. Sin embargo, este problema queda eliminado si la producción del recubrimiento se lleva a nivel industrial, donde es necesario que el proceso sea continuo para manejar grandes volúmenes de producto terminado. La restricción que se tiene en nuestro caso es el poco espacio para introducir más magnetrones que permitan depositar las películas sucesivamente sin necesidad de romper el vacío. En el mercado se dispone de blancos de CuS.

Esto significó diseñar otro tipo de filtro solar que empleara cobre en lugar de sulfuro de cobre. Las películas metálicas en vidrio fueron las primeras ventanas utilizadas como sistemas pasivos y resultan ser muy reflejantes en el infrarrojo, comercialmente hay disponibles ventanas con recubrimientos muy delgados de plata y de aluminio. Se espe-raba que el cobre confiriera a la ventana un desempeño similar al del CuS. En la fig 3.16 se presenta el espectro de transmisividad espectral de dicho sistema de dos películas.

142

Como se puede observar, las propiedades del filtro de cobre-óxido cuproso son similares a las del filtro que incorpora sulfuro, su luminosidad (transmisividad en el visible) puede ajustarse en 40 % aproximadamente, mientras que en el infrarrojo la transmisividad es de 15 a 20 %.

Con estos resultados, se puede suponer que los filtros a base de cobre-óxido cuproso y sulfuro de cobre-óxido cuproso son viables para su uso como sistemas pasivos en edificios y casas para el ahorro de energía.

3.6.3 Ventana de bióxido de vanadio

Las ventanas producidas con base en cobre son ventanas novedosas que requieren insumos y tecnología que las hacen viables para países como México, con bajo nivel tecnológico en su industria y con climas templados y cálidos. Considerando precisamente las condiciones climáticas apropiadas para instalar las ventanas de óxido cuproso-sulfuro de cobre y de cobre-óxido cuproso, se proponen para los climas templados con oscilación térmica diaria moderada.

Las razones para recomendarlas para dicho tipo de clima se derivan del hecho que estas ventanas son pasivas, es decir, sus propiedades espectrales son constantes siempre y, por ejemplo, cuando haya tiempo frío o invernal, estas ventanas no dejarán entrar la poca pero valiosa radiación que contribuirá a calentar el interior del aposento, en contraparte, tampoco dejará escapar el calor generado dentro de la habitación. Este efecto resultará más acentuado si la temperatura es más baja. Sin embargo, considerando que este efecto no se refleja en las simulaciones hechas para Mexicali ni para la ciudad de México, que se presentan más adelante, se concluye que nunca será tan pronunciado como para desalentar su uso en la República Mexicana.

Se trabajó en la obtención de una ventana selectiva de bióxido de vanadio (VO2) que bloqueara automáticamente el paso del calor sin afectar el de la luz visible. Esto se consigue cuando la ventana alcanza una temperatura de 68ºC, temperatura susceptible de ser alcanzada en días cálidos y de mucha insolación. Cabe señalar también que, además de la temperatura ambiental, este cambio en las propiedades ópticas de la película va a depender de si la película y el vidrio poseen una alta absortividad y una baja emisividad, dado que ambas propiedades propician su calentamiento al retener la

143

radiación solar incidente y transformarla en calor. Para aumentar la posibilidad de que la película de VO2 alcance su temperatura crítica con mayor facilidad se puede construir una ventana compuesta donde haya una película de alta absorción que incremente y mantenga la temperatura de la de bióxido de vanadio. Otra posibilidad es dopar la película del óxido de vanadio con algún otro elemento como flúor, niobio, molibdeno o tungsteno (Lampert y Granqvist, 1989). Se ha reportado que agregando de 2 a 7% de estos elementos en la película se consigue la disminución de su temperatura crítica hasta valores que varían en un intervalo de 60 a 50ºC.

3.6.4 Procedimiento de fabricación de la película de VO2

Se hicieron depósitos de VO2 a partir de un blanco de vanadio puro. Se sometió el blanco a bombardeo de iones de argón y oxígeno que desprendieron los átomos de la superficie del metal, los cuales viajaron a través del plasma oxidándose y dando por resultado el compuesto químico VO2, que es el que se deposita sobre un vidrio de 60 x 30 cm. El proceso dura de 30 minutos a una hora dependiendo del espesor de película deseado. Para espesores de 250 nm se requiere un depósito de una hora.

Para producir los iones se emplea una fuente de corriente directa y se le aplica al sistema un voltaje de 810 V, con baja potencia (200 W). La erosion iónica se inicia cuando el potencial entre los electrodos (blanco de vanadio uno y vidrio el otro) alcanza valores de 400 a 500 V. Como el blanco de vanadio está negativamente polarizado —también se le denomina cátodo—, los iones Ar+ lo bombardean arribando con energías del orden de 100 a 500 eV. Los átomos en la superficie del vanadio están unidos por energías inferiores a 10 eV (energía de sublimación) y la energía promedio de aquellos que son desprendidos es de 10 a 40 eV, el resto de la energía se disipa en el magnetrón en forma de calor.

Al argón que compone el plasma, se incorporó un 10 % de oxígeno, para asegurar que las moléculas de vanadio reaccionaran al momento de viajar a través del plasma para depositarse en el sustrato. La fuente de corriente directa se ubica a una potencia de 400 W para hacer la oxidación del metal. Al momento de alcanzar los 400 W, el sustrato de vidrio se mantiene en continuo movimiento con ayuda de un motor adaptado para tal fin y abarcar el área ya señalada de 600 x 400 mm con un depósito uniforme.

144

TABLA 3.3 CONDICIONES PARA EL DEPÓSITO DE LAS PELÍCULAS DE VO2

Parámetros Valores

Presión del gas 13.33 x 10-2 Pa Composición del gas 10 % oxígeno-90 % argón

Temperatura del sustrato de vidrio 300ºC Potencia de la fuente de corriente directa 400 W

Tiempo del depósito 30 a 60 minutos

Se obtuvieron vidrios con una coloración amarilla de una tonalidad ligeramente verdosa y con un comportamiento selectivo a la radiación infrarroja. Este comportamiento es un cambio de las propiedades ópticas en función de la temperatura. Al calentarse la película a temperaturas mayores de 68ºC, ésta modifica de manera reversible su reflectividad, transmisividad, absortividad, conductividad, etc, y regresa a sus propie-dades originales cuando se enfría por debajo de esa temperatura.

3.6.5 Propiedades espectrales de la ventana de VO2

Para asegurar esta modificación de propiedades en función de la temperatura es necesario que el VO2 tenga una estructura policristalina. Si el depósito de bióxido de vanadio se realiza sin calentamiento resulta una estructura amorfa. El calentamiento permite el reacomodo de las moléculas de bióxido de vanadio en pequeños agrupa-mientos o cristales, a mayor temperatura, los cristales serán más grandes y la eficiencia de la ventana será mucho mayor. Esta propiedad termocrómica es posible gracias a que el orbital 3d del vanadio modifica sus enlaces al elevarse la temperatura, lo que permite al óxido transformarse de un dieléctrico en un semiconductor (Burkhardt et al, 1999).

El mayor problema por vencer en esta última etapa fue el desarrollo de un sistema de calentamiento apropiado. Se deseaba subir la temperatura del vidrio hasta 400ºC; sin embargo, limitaciones como una posible oxidación del aceite siliconado de la bomba de difusión (que se utiliza para hacer alto vacío y cuyo costo por litro es $5 000 pesos aproximadamente), un debilitamiento de la estructura de la cámara de evaporación (es un tanque con 40 años de antigüedad que se somete constantemente a esfuerzos por el hecho de trabajar en alto vacío) y una posible fusión o fractura de los arosellos que aseguran el cierre hermético de la cámara, etc, hicieron que nuestra temperatura límite fuese 300ºC.

145

Transmisividad de VO2

0

20

40

60

80

100

0 500 1000 1500 2000 2500


T, e

n po

rcen

taje

VO2 arriba de temp. crítica

VIS IR

Fig 3.17 Transmisividad espectral de la película de VO2. Al alcanzar una temperatura superior a 68ºC, la transmisividad se modifica y la película bloquea gran parte del infrarrojo o calor

Entonces, el reto fue obtener la mejor película de VO2 bajo estas restricciones de temperatura. Lo ideal hubieran sido depósitos entre 400 y 500ºC; sin embargo, el tamaño de nuestros equipos no permiten alcanzar temperaturas tan altas.

Un espectro típico de transmisividad de las muestras producidas se muestra en la fig 3.17.

La curva superior presenta el desempeño de la ventana a temperaturas inferiores a la temperatura crítica de 68ºC, la curva inferior muestra que la misma película impide el paso del 65 % del infrarrojo cercano (790 a 2500 nm) aunque también su transmisividad en el visible disminuye un poco, aproximadamente 5 %. Esto significa que dicha película permitirá el paso de la irradiancia solar cuando la temperatura ambiente no sea tan alta y cuando la película esté por debajo de los 68ºC.

Si las condiciones del día son calurosas y de elevado soleamiento, el sistema vidrio-película de VO2 se calentará por arriba de dicha temperatura crítica, lo que provocará que se modifiquen los enlaces químicos del vanadio, convirtiéndose el VO2 en un semiconductor. Al tener la película un comportamiento de semiconductor bloqueará el paso del calor y de la luz.

Sin embargo, el máximo bloqueo del calor alcanzado por las muestras fue del 70 a 65 %. Se han reportado en la literatura bloqueos máximos en el infrarrojo del orden de

146

85 a 90 % si la temperatura del sustrato al momento del depósito es de 800 ºC (Christmann et al, 1996). El vidrio a esa temperatura empieza a reblandecerse por lo que técnicamente no es viable fabricar ventanas a temperaturas cercanas al punto de fusión del vidrio. En el trabajo citado de Christmann se trabajó con sustratos de cuarzo de 1 a 2 cm2 cuyos puntos de fusión fueron 1 713 ºC.

3.6.6 Propiedades térmicas de las ventanas de Cu2O

Con los resultados obtenidos, se puede suponer que los filtros con base en cobre-óxido cuproso, sulfuro de cobre-óxido cuproso y bióxido de vanadio son viables para su uso como sistemas de control de la radiación solar con el fin de obtener ahorro en el consumo de energía. Para ello y para conocer con más detalle la cantidad de energía que es posible ahorrar, se procedió a hacer una simulación con el programa ENERGY-10. Se pudo conocer la evolución térmica de un departamento de interés social de 70 m2 y los ahorros de energía a lo largo del año. Al final del capítulo se dan los resultados.

Esta serie de ventanas tienen ventajas sobre los dos tipos de vidrios que más se usan actualmente para rechazar el calor; los vidrios entintados y oscurecidos y los que cuentan con un recubrimiento altamente reflejante que no es selectivo, por lo que resulta también poco luminoso, además de las molestias que provoca a aquellos que transitan por el exterior de la edificación y que reciben los rayos reflejados por estas ventanas. De hecho, el uso de estos últimos está empezando a regularse en algunos países.

Se hizo una búsqueda bibliográfica en INTERNET (www.pilkington.com, www.saint-gobain-glass.com, www2.vto.com), a fin de averiguar las características de algunas ventanas disponibles comercialmente. Se encontró que en el mercado europeo y norteamericano, prevalecen ventanas dobles o triples, con huecos intermedios rellenos por algún gas noble; también ofrecen recubrimientos de un solo vidrio. Pudimos observar que los datos que reportan de transmisividad para un solo recubrimiento son muy parecidos a nuestro recubrimiento de Cu2O; sin embargo, la diferencia se nota en el coeficiente de transferencia de calor (U), más bajo en nuestras ventanas (0.69 BTU/h ft2 °F, 3.92 W/m2 K).

Se midieron los valores de R y U de nuestras ventanas con óxido cuproso, los resultados se presentan en la tabla 3.4.

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http://www.pilkington.com/

http://www.saint-gobain-glass.com/

http://www.saint-gobain-glass.com/

TABLA 3.4 VALORES DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y SU TRANSMISIVIDAD PARA MUESTRAS DE VENTANAS DE CU2O

Muestra R (m2 K/W) U (W/m2 K) Transmisividad (VIS) Comentarios

Cu2O (∼250Å) 0.254 3.93 75 % Coloración amarilla clara

Cu2O (∼500Å) 0.254 3.93 70 % Coloración amarilla

Cu2O (∼500Å) 0.233 4.3 70 % Coloración amarilla. Ligeramente quemado de un extremo

Cu2O (∼200Å) 0.247 4.05 75 % Coloración amarilla clara

Vidrio común 0.159 6.30 90 % Vidrio doble 0.368 2.72 80 %

Como conclusión, al revisar los vidrios con un solo recubrimiento, lo que se ofrece son ventanas que reflejan parte de la radiación solar pero no controlan la transferencia de calor, pues su coeficiente U corresponde al del vidrio ordinario (1.1 BTU/h ft2 °F, 6.30 W/m2 K). Se trata pues de ventanas que bloquean el paso de la luz, resultan agradables a la vista pero no tienen un comportamiento adecuado para considerárseles sistemas pasivos para el control de los flujos de energía calorífica.

Las mediciones de las muestras de óxido de cobre fueron hechas con un medidor de flujos de calor marca OMEGA. Los datos del vidrio común y el vidrio doble se obtuvieron de datos reportados en la bibliografía.

Se puede ver que las ventanas con película de óxido de cobre se ubican en un valor intermedio entre una ventana de vidrio común de 3 mm de espesor (vidrio tipo cal-sosa) y una ventana con dos vidrios y una separación de aire.

El criterio de selección de los compuestos de cobre que se propone se basa en la disponibilidad de las materias primas y estabilidad de las mismas bajo plasmas con reacción química. Se busca un proceso de fabricación simple y de costo lo más bajo posible.

3.6.7 Microscopía electrónica de barrido del Cu2O

Los depósitos son de aproximadamente 50 nm de espesor y fueron hechos sobre sustratos de acero inoxidable para facilitar su manejo bajo el microscopio electrónico.

148

Figs 3.18 y 3.19 Fotografías con microscopía electrónica de barrido (SEM) de recubrimientos de Cu2O hechos con erosión iónica. La primera de ellas es una amplificación a 10 000X de la segunda

En las figs 3.18 y 3.19 se observa la estructura granular resultante del choque térmico causado por el súbito enfriamiento que sufrieron las películas al momento de hacerlas, pues la cámara de evaporación fue abierta de inmediato, y entró aire a temperatura ambiente. Al terminar de hacer el depósito, muestra y sustrato se encuentran a temperaturas de 100 a 200°C.

Al observar los detalles la superficie del grano en la fig 3.18 (que corresponden a las sombras oscuras en los granos de la fig 3.19), se percibe que son huellas de la estructura de crecimiento de la película. También, revisando la uniformidad del grano en la fig 3.18 podemos inferir que la película no presenta ningún microagujero por el cual pueda iniciarse la corrosión.

3.7 Estudio de intemperismo de las ventanas con Cu2O

A continuación, se presenta el estudio de la corrosión atmosférica de películas delgadas de óxido cuproso depositadas sobre sustratos de vidrio del tipo cal-sosa. Se estable-cieron los mecanismos a través de los cuales se lleva a cabo la corrosión atmosférica y la durabilidad de las ventanas para el control del calor. Se realizaron experimentos de laboratorio y campo, complementados con diversas espectroscopías para determinar los productos de corrosión formados durante los ensayos de corrosión atmosférica.

149

El estudio de la resistencia al ataque de la atmósfera de estos sistemas, permite diseñar mejores estrategias de protección a fin de prolongar su tiempo de vida útil y, demostrar su gran potencial económico por sus costos y fácil disponibilidad de las materias primas.

Se determinó la morfología de los ataques generados durante los ensayos mediante microscopía electrónica de barrido (SEM)∗ con análisis simultáneo de las diversas estructuras que se formaron, mediante dispersión de rayos X (EDX). Se presentan las fotografías de las principales estructuras observadas mediante SEM. Se propusieron mecanismos de nucleación y propagación de fallas, a partir de los cuales se deducen las posibles soluciones tendientes a optimar el comportamiento a la intemperie de las películas analizadas.

En la SEM, un haz de electrones, de unos cuantos cientos de angstroms∗∗ de diámetro, barre la superficie de la muestra. El impacto de estos electrones sobre los átomos de la superficie genera la emisión de nuevos electrones denominados electrones secundarios; de la medición de la intensidad de los electrones secundarios resulta una señal que se envía a un tubo de rayos catódicos, similar al cinescopio de un televisor o de un monitor de computadora. La imagen que aparece en la pantalla del monitor es resultado de los sucesivos y continuos pasos del haz electrónico sobre la muestra. Cada barrido de la muestra va produciendo una línea en la pantalla, y se requieren infinidad de líneas para producir una imagen.

3.7.1 Corrosión

Entre los parámetros de mayor incidencia en la corrosión atmosférica, es ampliamente reconocida la acción de los diferentes contaminantes ambientales derivados de fuentes naturales como el mar, las sulfataras, los volcanes, etc, y de origen antropogénico, los ambientes industriales, con aporte de gases como el SO2, diversos NOx, etc, partículas de polvo, hollín, minerales y metales (Evans y Taylor, 1972 y Rosales, 1997).

El fenómeno de la corrosión es de naturaleza electroquímica, es decir, que ocurre por medio de reacciones en las que se produce la oxidación y reducción de diferentes

∗ Por sus siglas en inglés: Scanning Electron Microscopy. ∗∗ 1 Å = 1 x 10-10 m. La equivalencia de 10 Å es 0.1 nm.

150

sustancias presentes (Rosales y Ayllón, 1980b). Para que se produzca la corrosión de un metal, el cual generalmente se oxida, se requiere la presencia de un electrolito, en cuyo medio se produce el transporte de iones y de corriente eléctrica, y de alguna sustancia como el O2 del aire o el agua, capaces de reducirse en presencia del metal (Evans y Taylor, 1972; Rosales, 1997).

Se ha informado frecuentemente que los contaminantes ambientales manifiestan su máximo poder de reacción sobre superficies metálicas expuestas a la atmósfera, durante los periodos de lluvias, rocío o cualquier otra forma de depósito de agua líquida, denominados tiempo de humectación (TDH) (Evans y Taylor, 1972). Esto se debe a que el agua líquida posibilita la disolución de las sustancias agresivas, sales (NaCl), óxidos (SO2), etc, dando origen a los electrolitos, sin los cuales no ocurrirían las reacciones de corrosión (Evans y Taylor, 1972; Morcillo et al, 1998). La mayor o menor agresividad de estos electrolitos sobre los metales y aleaciones de interés tecnológico depende de los tipos y niveles de contaminantes de la atmósfera, la cual varía con la distancia a la fuente de contaminación (distancia al mar, a una planta industrial, a un volcán, etc) (Rosales, 1997).

El efecto de otras variables atmosféricas de aparente poco significativa incidencia, puede modificar grandemente los niveles de agresividad de determinada atmósfera. Tal es el caso de los vientos, cuya acción varía las concentraciones de contaminantes al apartarlos o al concentrarlos sobre materiales en servicio, variando el tiempo de humectación (TDH) de alguna cara de cierta estructura, respecto de las restantes, aportando partículas del suelo de tipo corrosivo o inertes, erosionando la superficie de modo de dejar continuamente zonas del metal expuestas sin productos de corrosión, etc.

El caso del aporte de sólidos puede causar importantes cambios en la velocidad de corrosión de metales, en ambientes húmedos, ya que la salinidad del suelo es un factor de gran aceleración para la corrosión, al promover la formación de electrolitos de apreciable agresividad. Si los vientos promueven el depósito de polvo del suelo, formado por partículas inertes al metal, se han encontrado crecientes efectos pasivos con el tiempo debido a la compactación de los productos de corrosión (Rosales, 1997). La incidencia de estos parámetros de acción indirecta puede ser tan importante como para modificar los resultados en más del 50 %.

151

3.7.2 Preparación del sustrato

Durante los ensayos en diferentes condiciones ambientales se pudo apreciar que la

resistencia a la corrosión atmosférica del recubrimiento de Cu2O, estaba fuertemente

condicionada por el nivel de limpieza aplicado al sustrato de vidrio sobre el que se

efectuaron los depósitos de las películas.

La limpieza del sustrato de vidrio es vital para mejorar la adhesión de las películas,

puesto que una mala limpieza reduce la vida media del sistema vidrio-película por la

inclusión de impurezas, incrementando también la probabilidad de que el ataque del

medio provoque daños muy severos. La limpieza consistió en un baño en solución

ácida, un lavado posterior con agua destilada seguido de otro lavado con alcohol

isopropílico y una limpieza con plasma de argón a 3 kV y 0.5 A durante 20 minutos

aproximadamente.

3.7.3 Pruebas de corrosión de las películas

Las películas de Cu2O en estudio se sometieron a ensayos con diferentes duraciones y

condiciones atmosféricas, para establecer el efecto relativo de los diversos factores

ambientales que desencadenan los ataques por corrosión. Se hicieron pruebas en cámara

Xenotest, niebla salina, y exposición al ambiente marino.

En todas las muestras, el ataque fue localizado, independientemente del ambiente en los

que fueron expuestas las muestras para realizar los ensayos. Este resultado es habitual

durante los estudios de corrosión atmosférica, no sólo de películas sino de numerosos

metales y aleaciones ensayados en las más variadas condiciones ambientales (Rosales y

Ayllón, 1980a).

Para la microscopía electrónica de barrido (SEM) y el análisis morfológico de la

superficie, se utilizó un microscopio electrónico marca Phillips 515. Éste cuenta con

una microsonda dispersiva de energía marca EDAX 9100 con la que se hicieron los

análisis de dispersión de rayos X (EDX) que determinaron los elementos ajenos a la

composición original de la película selectiva.

152

3.7.3.1 Resultados

En las pruebas de corrosión sobre las ventanas con recubrimientos de óxido cuproso se distinguieron, con ayuda de la microscopía electrónica de barrido (SEM), dos tipos diferentes de fallas que corresponden a distintas etapas o mecanismos del proceso de corrosión, diferenciables en el tiempo: el inicial, consistente en ampollado, y la propagación, caracterizada por la formación de productos de corrosión, esencialmente óxido cúprico, con incorporación de cloruros. Mediante técnicas complementarias a la SEM, se evidenció la formación de estos compuestos. Las técnicas fueron dispersión de rayos X (EDX) y espectroscopia de infrarrojo (FTIR). La tabla 3.5 es un sumario de las muestras ensayadas y a qué pruebas fueron sometidas.

En los resultados de los análisis mediante EDX, del tipo del que se muestra en la fig 3.20, se constató la presencia de cloro en las zonas atacadas. Se seleccionó un sitio atacado y se le hizo incidir un haz de rayos X. En la fig 3.20 se observan los picos de los diferentes elementos químicos involucrados. Las muestras recibieron un baño de oro por lo que este elemento está presente con dos picos.

Los porcentajes de abundancia de los elementos en la muestra están en el listado de la izquierda que corresponde al análisis después de exposición a niebla salina durante 72 horas; el de la derecha corresponde a la misma muestra antes de ser sometida a la prueba.

Las muestras después de estar sometidas a la niebla salina fueron lavadas con agua destilada con objeto de eliminar de la superficie los restos de cloruro de sodio. Este análisis demostró que parte del cloruro reaccionó con la película dando lugar a productos de corrosión.

La espectroscopía de infrarrojo (FTIR) permitió seguir la transformación de Cu2O en CuO (figs 3.39 y 3.40). Esto se explica con detalle más adelante cuando se discuten los análisis del FTIR.

Las pruebas en la cámara de niebla salina dieron resultados similares a los de las muestras expuestas en la estación de ambiente marino de CAMET en Mar del Plata, Argentina, resultando ambas atmósferas las más agresivas de las condiciones atmosféricas ensayadas.

153

TABLA 3.5 LISTADO DE LAS MUESTRAS EMPLEADAS EN LAS PRUEBAS DE CORROSIÓN

Composición* y espesor

No muestra

Tamaño (mm)

Tipo de ensayo

Apariencia Comentarios

5-03 Código:V1A Cu2O≈500Å V1A1 110 x 25

V1A2 120 x 25 V1A3 140 x 25

Código: V2A Cu2O≈500Å V2A5 100 x 150 SiO2≈3 000Å V2A6 100 x 150

V2A7 220 x 60 V2A8 220 x 60 Composición*

y espesor No

muestra Tamaño

(mm) Tipo de ensayo


11-03 Código: V1B Cu2O≈500Å V1B1 100 x 150 Marino Oscuro Muestra rota,

falta un trozo V1B2 180 x 83 Marino V1B3 100 x 120 V1B4 95 x 55 V1B5 120 x 30 Niebla

salina

V1B6 45 x 40 V1B7 110 x 50 Niebla

salina

V1B8 165 x 15 Niebla salina

Forma en punta de flecha

Composición* y espesor

No

muestra Tamaño

(mm) Tipo de ensayo


12-03 Código: V2C Cu2O≈500Å V2C1 100 x 150 SiO2≈3000Å V2C2 100 x 150 V2C3 220 x 60 V2C4 220 x 60 V2C5 300 x 80 V2C6 220 x 60 Xenotest V2C7 220 x 60 Xenotest V2C8 110 x 25 V2C9 115 x 25 Al en una

esquina

154

TABLA 3.5 (Continuación) Composición*

y espesor No

muestra Tamaño

(mm) Tipo de ensayo


17-03 Código: V2D Cu2O≈500Å V2D1 SiO2≈3000Å V2D2 100 x 150 Niebla

salina Ataque por ácido en medio

V2D3 100 x 150 Marino Roto, maltratado

Código: V1D Cu2O≈500Å V1D4 120 x 70 Niebla salina

V1D5 200 x 95 V1D6 130 x 90 Marino V1D7 110 x 90 Marino V1D8 85 x 36 Niebla

salina

V1D9 110 x 25 V1D10 120 x 25 V1D11 110 x 25 V1D12 120 x 25 V1D13 155 x 28 Xenotest Se extrajo la

mitad para análizarla a los ocho días

V1D14 100 x 23 Composición*

y espesor No

muestra Tamaño

(mm) Tipo de ensayo


18-03 Código: V2E Cu2O≈500Å V2E1 110 x 75 Marino SiO2≈3000Å V2E2 120 x 100 Marino V2E3 200 x 12 V2E4 220 x 60 V2E5 220 x 60 V2E6 120 x 80 Código: V1E Cu2O≈500Å V1E7 110 x 25 V1E8 120 x 25 V1E9 105 x 15 Niebla

salina

155

Fig 3.20 Espectro EDX de una zona atacada en la muestra V1D4. Sometida a 72 h en niebla salina. Se observa la presencia de cloro en los productos de corrosión

3.7.3.2 Ensayos en Xenotest

Se empleó un deteriorímetro marca Xenotest 450 con programación de temperatura, humedad y ciclos alternados de lluvia y radiación, para simular una exposición al medio ambiente con precipitaciones e insolación. Las muestras se colocan verticalmente en soportes que giran sobre su propio eje y alrededor de una lámpara de Xenón de 4 500 W, cuyo espectro simula al solar gracias a una serie de filtros que la cubren. La lluvia se simula por inyección de agua desmineralizada a través de un tubo circular multihoradado, colocado en la parte superior de la periferia de la cámara. Cada muestra está sometida a la radiación cuando se orienta hacia la lámpara y a humidificación sin radiación cuando el respectivo portamuestras gira 180º sobre su propio eje. Este equipo permite programar los intervalos de humedad y temperatura ambiente, así como la frecuencia y la duración de los ciclos alternos de humidificación y secado, necesarios para el desarrollo de corrosión.

Las figs 3.21 y 3.22 son imágenes que muestran el aspecto de las fallas apreciables mediante MEB sobre la muestra V2C7, después de ocho días de ensayo en el equipo simulador.

156

Fig 3.22 Detalle a 5000X de la zona centro-derecha de la fig 3.21

Fig 3.21 Formación de ampollas en la muestra V2C7 después de una semana en Xenotest

Fig 3.24 Detalle de una ampolla en crecimiento con formación de productos de corrosión, circundados por los límites de la ampolla

Fig 3.23 Detalle de una ampolla en crecimiento, aparecen ya dos agujeros en la película visibles al centro y en la parte inferior

La película de Cu2O resulta muy uniforme y el ataque se detecta fácilmente, con un tamaño de las ampollas del orden de los cinco micrómetros. El inicio se caracteriza por la formación de ampollas y su crecimiento se produciría por oxidación en la interfase con el vidrio, en áreas con limitado acceso de oxígeno. Mediante espectroscopía de infrarrojo (fig 3.41, en pág 166), se pudo constatar la presencia de CuO, formado a expensas del Cu2O.

En las figs 3.23 y 3.24 se pueden apreciar detalles sobre la nucleación de las ampollas de la misma muestra V2C7 de la fig 3.21.

157

Fig 3.25 Espectro EDX de la muestra V2C7, sometida a 360 h en Xenotest

La reacción de reducción, complementaria de la oxidación de Cu+ a Cu2+ en el óxido, sería la de reducción del O2 del aire, como es habitual en corrosión atmosférica, según la ecuación

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Luego del ampollamiento, la película de Cu2O se recubre con productos de corrosión, superponiéndose este mecanismo de oxidación superficial al anteriormente descrito.

Esta secuencia de aparición de las fallas se deduce de la distribución de los productos de corrosión, según un patrón circular con fisuras y desprendimientos en las zonas afectadas. Las figs 3.21 a 3.24 presentan los efectos de este mecanismo.

La fig 3.25 muestra el espectro EDX de la muestra V2C7 después de haber estado sometida durante 15 días en Xenotest. No hubo gran diferencia antes y después de la prueba. Esto significa que en general la muestra resistió el ciclo de radiación-humectación, pues los ataques mostrados en las figs 3.21 a 3.24 fueron en sitios muy localizados. Con esta técnica no es posible determinar el grado de ataque al cobre, pues

158

se haría necesario cuantificar al oxígeno. Elementos con número atómico inferior al sodio no se pueden cuantificar con esta técnica y el oxígeno tiene número atómico 8 (Z = 8).

3.7.3.3 Ensayos en cámara de niebla salina

La cámara en la que se realizaron los ensayos cumple con las especificaciones de la norma ASTM B 117. La solución con la que se satura el ambiente mediante pulveri-zación es de NaCl al 3.5 % en peso en agua desmineralizada a 35° C.

En las figs 3.26 y 3.27 se pueden apreciar productos de corrosión superficiales sobre la probeta V1D8, después de una exposición de 72 h en cámara de niebla salina. Las imágenes en 28 y 29 corresponden a otras regiones de la misma muestra.

En la fig 3.30 se nota un ampollamiento y posterior desprendimiento de la película, mientras que en la fig 3.31 se pueden apreciar productos de corrosión formados a partir de la película de Cu2O y aplastados bajo la capa de cuarzo depositada en la fabricación de la ventana.

Siguiendo con las imágenes en niebla salina, las micrografías 3.32 a 3.34, permiten apreciar una fase más temprana del ampollamiento que apareció en la muestra V1B5 al cabo de 72 h de exposición en niebla salina. Estas ampollas se encontraron en las áreas centrales de bandas de escurrimiento, donde la superficie habría quedado cubierta bajo la solución salina creada al ir condensando sobre la superficie. Las zonas de ataque corresponden a las áreas sometidas a máximos tiempos de humectación (TDH), alineadas a lo largo de los trazos verticales de las líneas de escurrimiento. Éstas son visibles a simple vista, ya que tienen un ancho de 3 mm.

En las micrografías de las figs 3.32 y 3.34 las ampollas del recubrimiento se alinean a lo largo de bandas de unos 5 a 20 µm de ancho como subestructuras dentro del ancho total de las bandas dejadas por el escurrimiento de la solución salina.

En las figs 3.33 y 3.34 se puede ver el detalle de diferentes ampollas, con varias líneas de expansión lateral cada una, que ponen de manifiesto la variante morfología que adoptan durante el proceso de su crecimiento.

159

Fig 3.27 Detalle de la fig 3.26.

Amplificación a 10 000XFig 3.26 Productos de corrosión

superficiales. Muestra VID8

Fig 3.29 Detalle de la fig 3.28. Amplificación a 10 000X

Fig 3.28 Otra región de la muestra V1D8. Se aprecian los productos de corrosión creciendo sobre la superficie

Fig 3.30 En la zona central izquierda se observa una ampolla alargada. En la derecha ya se desprendió la película

Fig 3.31 Otra estructura en la muestra de la fig 3.30, ampolla colapsada y con productos de corrosión

160

Fig 3.32 Muestra V1B5. Ampollas en

las líneas de escurrimiento de la solución salina condensada sobre la superficie

Fig 3.33 Amplificación de una ampolla de la fig 3.32. Alrededor se ven ampollas diminutas, 4 400X. Muestra V1B5

Fig 3.35 Extremo de la muestra V1D8, donde se aprecia la ausencia de película en la parte superior y numerosas miniampollas agrupadas por zonas.

Fig 3.34 Muestra V1B5, detalle de otra ampolla. La presencia de ampollas más pequeñas y productos de corrosión alineados verticalmente delimitan la zona que permaneció cubierta por la solución salina que se condensó y escurrió

Un tipo de ampollas diferente del anterior se observa en las figs 3.35 y 3.36, correspon-dientes al extremo inferior de la probeta V1D8

La fig 3.20 es el espectro EDX de la muestra V1D4, después de 72 h en cámara de niebla salina.

161

Fig 3.36. Amplificación de una región de la fig 3.34. Muestra V1D8

3.7.3.4 Exposición en ambiente marino

Respecto a los ensayos realizados con diferentes tiempos de exposición en el ambiente marino, el análisis de las muestras expuestas en la estación de CAMET, en Mar del Plata, Argentina, revela una corrosión más marcada, con formación de productos de corrosión en el interior de ampollas. Ello sugiere que en las etapas iniciales, los fenómenos corro-sivos serían similares a los que se observaron al cabo de las pruebas en la cámara de niebla salina, que se inician con la formación de ampollas y luego dan lugar a la aparición de productos de corrosión en su interior, como puede verse en las figs 3.37 y 3.38.

Fig 3.38 Amplificación de la ampolla de la fig 3.37, donde se observan los productos de corrosión formados en el interior

Fig 3.37 Zona de muestra sometida al ambiente marino, donde se aprecia una ampolla y que la superficie de la película está muy atacada

162

3.7.4 Análisis de las muestras con espectrofotometría de infrarrojo

Para conocer el grado de oxidación de las muestras se utilizó un espectrofotómetro de infrarrojo de doble haz marca Nicolet. Se midió la reflectividad espectral especular en el intervalo de longitud de onda de 2 000 a 25 000 nm (2 a 25 µm)∗ a un ángulo de incidencia de 5º. Para producir la radiación infrarroja se utiliza una lámpara conocida como lámpara incandescente de Nernst; ésta es una varilla pequeña que tiene apariencia de cerámica, fabricada con una mezcla especial de óxidos metálicos, y sellada con platino en los extremos. La varilla a temperatura ambiente no es conductora, pero cuando se calienta entra en un estado de conducción después del cual un flujo de corriente mantiene una incandescencia que es rica en radiación infrarroja. El análisis de las lecturas que va obteniendo el aparato para construir el espectro, lo realiza por transformada de Fourier, de ahí la abreviatura empleada para designar la técnica: FTIR.

Por medio de la espectrofotometría de infrarrojo (FTIR) fue posible evaluar la composición química de las distintas muestras antes y después de los ataques. Se esperaba que el ataque sobre las muestras de ventanas de óxido cuproso fuera tal que la película se oxidara por completo y se transformara en óxido cúprico; sin embargo, esto no fue así, dado que los espectros demostraron que coexisten las dos especies químicas sin pasar por completo a la especie más oxidada aun bajo los más severos ataques.

Se obtuvieron espectros de transmisividad en el infrarrojo lejano que permitieron monitorear el progresivo paso del cobre del estado de oxidación +1 (en el Cu2O) al estado de oxidación +2 (CuO). Cada uno de estos estados de oxidación tiene un espectro característico que permite identificarlos. Los espectros de las muestras son una combinación de los dos espectros peculiares debido a que en las muestras atacadas hay presencia de las dos especies químicas.

Los picos que se consideraron en la discusión para cada espectro son en realidad mínimos, es decir, picos que apuntan hacia abajo, situados en 590 cm-1 y 615 cm-1. Si el compuesto es predominantemente óxido cúprico (CuO), estos picos dejan de ser pronunciados y su longitud es menor. Hubo muestras que tuvieron un recubrimiento de cuarzo como protección; éste compuesto también aparece como un pico angosto y muy pronunciado “hacia abajo” a 1 200 cm-1.

∗ Equivalentes en número de onda de 5 000 a 400 cm-1.

163

Fig 3.39 Espectro FTIR de las muestras V1B6 y V1B2, extraídas de una misma

ventana. La composición química de ambas es la misma y consiste en óxido cúprico (CuO). La curva S corresponde a la muestra V1B6 que no fue sometida a ninguna prueba, la curva P es de V1B2 después de dos meses en el ambiente marino

Fig 3.40 Espectro FTIR de las muestras V2E3 (curva A) sin atacar y de la muestra V2E2 (curva Q) después de un mes en ambiente marino. La oxidación del Cu2O a CuO se manifiesta por la reducción de la altura de los picos a 590 cm-1 y 615 cm-1. El pico en 1 250 cm-1 corresponde al cuarzo depositado para protección de la película

164

En la fig 3.39 se muestran los espectros de transmisividad de las muestras V1B6 y V1B2, ambas trozos de una misma muestra de mayor tamaño, según se puede ver en la tabla 3.5. La curva denominada S’ corresponde a una probeta sin ataque y la curva P presenta el comportamiento de la película después de haber estado expuesta en el medio marino de Mar del Plata, Argentina, durante dos meses. Las dos curvas son muy similares y presentan dos picos (dirigidos hacia abajo) entre 590 y 820 cm-1. La forma y ancho de estos picos indican una predominancia de óxido cúprico (CuO). El pico en 1 250 cm-1 implica que esta muestra no fue protegida con cuarzo. Por tanto, esta película no sufrió ningún cambio en su composición química porque ya estaba totalmente oxidada.

La fig 3.40 presenta claramente los cambios en composición química que se presentan en la superficie de las muestras, expuestas en un ambiente marino, y que no llegan a ser de tal magnitud para convertir la película de Cu2O en CuO (fig 3.39). Los picos en 590 cm-1 y en 615 cm-1 son muy evidentes, indicando la presencia de Cu2O. Entre estos picos existe un máximo a 605 cm-1 cuya altura aumenta mientras mayor sea la presencia de óxido cuproso. En la fig 3.39 no está presente pues la película es de óxido cúprico. Los picos en 1 200 cm-1 corresponden a la presencia de la película protectora de cuarzo. Las curvas A y B pertenecen a la muestra V2E3, sin atacar, y la curva Q a la muestra V2E2, sometida a ataque en medio marino durante un mes. La diferencia en las alturas de las curvas (intensidad de la señal), al igual que las alturas de los picos, indican el grado de corrosión de las muestras. La tendencia a separarse que se observa en el extremo izquierdo de la gráfica, se debe a diferencias de espesor en las películas.

En la fig 3.41 se observa que casi no existe diferencia en el tipo de ataque si las muestras están sometidas a corrosión en niebla salina o ambiente marino; en ambas, la intensidad de la señal después del ataque disminuye en la misma proporción. La curva F es la muestra testigo. Comparando las longitudes y anchura de los picos en 590 cm-1 y 615 cm-1 entre las figs 3.40 y 3.41, se observa que la proporción de Cu2O es mayor si los picos están más marcados y son más angostos.

La fig 3.42 presenta la curva de transmisividad del sustrato de vidrio utilizado para fabricar las diferentes muestras. Por otra parte, las curvas 3 y 6 corresponden a los resultados de la prueba de Xenotest de dos zonas diferentes de V2C6, después de una semana. La presencia de CuO se deduce por la relativa poca longitud del pico a 590 cm1.

165

Fig 3.41 Espectro FTIR de dos muestras expuestas al cloruro de sodio. La curva F es una muestra sin atacar. En las otras dos, una fue sometida a niebla salina y la otra a ambiente marino, no hay diferencia entre ambas. El pico en 590 cm-1 es menor en las muestras atacadas lo que indica presencia de óxido cúprico

Fig 3.42 Espectro para el sustrato de vidrio y dos zonas de la muestra V2C6

expuesta durante una semana a Xenotest

166

Fig 3.43 Espectro RBS de película de Cu2O-CuS depositada por erosión iónica

3.8 Análisis de la composición de la película Cu2O-CuS por RBS

A continuación, se muestra un espectro por RBS (Rutherford back scattering) de la película Cu2O-CuS (fig 3.43); en ella se aprecian los picos del cobre, el azufre y el oxígeno. Se observó que la composición de la película selectiva es no estequiométrica y varía según la duración del depósito. Hay también presencia de estaño, proveniente de la fabricación del vidrio flotado usado como sustrato.

Para hacer el depósito del sulfuro de cobre II (en la muestra de la figura) se partió de un blanco de cobre 99.99 %, al cual se le hizo pasar una corriente de ácido sulfhídrico (H2S), con lo que se formó una capa de CuS sobre la superficie del blanco de cobre; acto seguido, se le hizo la erosión iónica para depositarla sobre el vidrio. Si el tiempo de depósito o la potencia utilizada es muy elevada, se termina la capa de CuS y el sistema empieza a erosionar el cobre puro del blanco que ha quedado expuesto.

Por el tipo de técnica empleada, es probable que el plasma al ser muy energético, descomponga parte del sulfuro cúprico que es erosionado y, si se incluye el depósito posterior de cobre al terminarse la capa de sulfuro, se puede explicar la presencia de proporciones no estequiométricas de las especies químicas.

167

Fig 3.44 Proceso de fotoemisión de electrones

3.9 Espectroscopía de fotoelectrones generados por rayos X (XPS)

3.9.1 Fundamentos y características generales

La técnica XPS, también denominada ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis), se basa en el análisis de las energías de los fotoelectrones emitidos por una sustancia al ser irradiado con rayos X. Este proceso se conoce desde principios de siglo (efecto fotoeléctrico) pero se aplicó como base para una técnica de análisis a partir de la década de los 60.

Sobre la muestra en estudio se hace incidir un haz de fotones monoenergéticos de rayos X, de energía hν conocida (fig 3.44). Estos fotones son absorbidos por la muestra, perdiendo su energía en el proceso de fotoemisión: parte es gastada en arrancar electrones de los distintos orbitales atómicos, superando la energía de ligadura que los une al núcleo EB, y el resto es cedida a los mismos como energía cinética EC. El balance de energía es hν = EB + EC para el caso de átomos libres. Dado que hν es conocida y Ec se mide, se pueden determinar con un cálculo sencillo los valores de EB. Cada elemento químico posee una estructura electrónica propia, por lo que la determinación de la energía de ligadura de uno o más orbitales de cada elemento permite la inmediata identificación del mismo (análisis cualitativo).

Se presenta un problema cuando se analizan semiconductores o aislantes, estos materiales se cargan eléctricamente durante el análisis XPS. Los electrones que salen de la muestra dejan a ésta cargada positivamente y dicha carga se traduce en corrimientos

168

en los niveles de energía de la muestra. Es necesario proveer un camino de baja resistencia para neutralizar esa carga.

3.9.2 Discusión de resultados

Se analizó un depósito de cierto óxido de cobre sobre vidrio, presuntamente Cu2O. Se deseaba conocer el estado de oxidación del cobre en la otra película.

Los electrones emitidos por la muestra se analizaron y contaron en función de su energía. Dan lugar a espectros de energía que consisten en picos netos montados sobre un fondo continuo. Normalmente se obtiene un espectro amplio (wide) porque abarca un gran intervalo de energía cinética. Para obtener los valores exactos de energía de cada pico se hacen acercamientos; se obtienen así los llamados espectros estrechos (narrow).

Se observa una distribución de picos netos montados sobre un fondo continuo. Los picos están formados por fotoelectrones provenientes de diferentes niveles atómicos del cobre. Las energías cinéticas son mayores para los niveles menos ligados y la ubicación de los picos en el eje de energías permite la inmediata identificación del elemento que les dio origen.

En la fig 3.45 se representa un espectro amplio de oro. En él, hacia el lado de menor energía de cada pico se registra un gran incremento de fondo, producido por fotoelectrones de ese nivel que perdieron parte de su energía en su recorrido en el material pero que alcanzaron a salir y ser contados. Los electrones emitidos por fotoexcitación sufren en su trayectoria hacia la superficie colisiones con otros electrones del sólido que les producen pérdidas de energía. La alta probabilidad de estas colisiones inelásticas es la que determina que XPS sea una técnica para el análisis de superficies. Sólo los electrones emitidos por las últimas capas de la muestra alcanzan a salir con su energía intacta y dan lugar a los picos netos.

Otra característica que se observa en el espectro del oro de la fig 3.45, es que los diferentes niveles atómicos dan origen a picos de distinta altura. La razón es que cada nivel tiene diferente probabilidad de ser ionizado y emitir electrones. Esa probabilidad asociada con un área es la sección eficaz de fotoemisión de cada orbital, σ. Para los rayos X usados en XPS todos los elementos presentan algún nivel con σ suficientemente grande para su detección.

169

Fig 3.45 Espectro amplio por XPS para el oro. Los fotoelectrones emitidos por los

orbitales externos dan lugar a los picos (Watts, 1994)

Fig 3.46 Espectro angosto XPS de muestra de óxido cuproso, depositada por sputtering en atmósfera Ar-O2

170

Fig 3.47 Espectro por XPS de cobre II en una muestra de óxido cúprico, aparece el pico 2p y la aparición de satélites. Los satélites están ausentes en los espectros de cobre 0 y cobre I (Watts, 1994)

La fig 3.46 presenta el espectro angosto de la muestra analizada. Se observa el desdoblamiento del nivel 2p3/2 del cobre. Las energías de enlace pueden medirse con precisión de 0.1 eV. Este tipo de espectro se usa además para obtener corrimientos de los picos.

Una característica de XPS es su posibilidad de proporcionar el estado de oxidación de los elementos (valencia) que constituyen las superficies. Las energías de enlace de los electrones son sensibles al entorno químico que rodea al átomo del cual provienen y sus valores difieren si se trata de un elemento puro o si se halla combinado con otros. Por ejemplo, cuando un metal forma un óxido, cede electrones al oxígeno, el apantallamiento de los electrones de valencia disminuye y los electrones interiores están más atraídos al núcleo; esto provoca que la energía de enlace del elemento como óxido sea mayor que como elemento puro.

La fig 3.47 muestra un espectro de cobre II, diferente de la fig 3.46, que corresponde al espectro del cobre I. Se aprecian las diferencias en energías y también la presencia de picos satélites en el caso del cobre II.

Estos satélites ocurren cuando el fotoelectrón (electrón interno), excitado por el haz de rayos X, al salir del átomo interactúa con algún electrón de la capa de valencia y lo promueve a un nivel de energía superior; como resultado, el electrón interno ve reducida su energía ligeramente y en consecuencia aparece en el espectro en una

171

posición ligeramente desplazada. Los satélites más comunes son los 2p de los metales de transición, cuya capa de valencia corresponde a la de los orbitales d.

Al comparar los dos espectros, el de la fig 3.46, que corresponde a la muestra fabricada por sputtering reactivo, y el de la fig 3.47, espectro de óxido cúprico (CuO) obtenido de la bibliografía, se deduce que la película depositada sobre las muestras que se analizaron es, en efecto, óxido cuproso (Cu2O).

3.10 Ahorro de energía para un departamento que incorpora las ventanas con la película Cu2O-CuS

3.10.1 Ecuaciones generales de balance de energía en una edificación

El análisis del sistema de intercambio térmico de una edificación se hace considerando tres elementos fundamentales: las ventanas, la mampostería y el aire del interior, cuya temperatura representa el grado de confort. Con el fin de hacer el estudio de los flujos de energía que intervienen y determinar la temperatura del interior, a lo largo del día, es necesario determinar los coeficientes de transferencia de calor entre cada uno de los tres elementos ya mencionados.

En general no existen coeficientes internos de transferencia de calor comúnmente acep-tados o unificados debido a la diversidad de materiales de construcción, sus distintos orígenes y geometrías de la edificación, lo que hace difícil de considerar un solo valor para un material determinado. Por esta razón, una de las metodologías más aceptadas es obtener estos coeficientes mediante las correlaciones propuestas por Raithby y Hollands (1975) y Hollands et al (1975), que evalúan la convección natural en espacios cerrados. Posteriormente, se define una ecuación de balance de energía para cada elemento para después resolverlas de manera simultánea con ayuda de los coeficientes mencionados.

Para la ventana, el balance de energía es

)TT(UA)TT(UA)TT(UAdt

dTCpM owwowawwawbwwbb

www −+−+−= (3.8)

Para la edificación:

)TT(UA)TT(UA)TT(UAdt

dTCpM obbobbababwbwbw

bbb −+−+−= (3.9)

172

Para el aire del interior:

)TT(UA)TT(UAdt

dTCpM wawawbabab

aaa −+−= (3.10)

donde

subíndice w ventana subíndice b edificación subíndice o ambiente externo subíndice a aire del interior Uij coeficiente interno de transferencia de calor entre los elementos i y j

(kJ/m2 K) Ai área de cada elemento (m2) Mi masa de cada elemento (kg) Cpi capacidad calorífica de cada elemento (kJ/kg K)

T temperatura (K) t tiempo (s)

Cada uno de los coeficientes de transferencia de calor arriba mencionados son coeficientes globales que incluyen los efectos de los tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. No es objeto de este libro profundizar en los cálculos de la ganancia térmica, balances energéticos y obtención de estos coeficientes para una edificación, sin embargo, es interés de los autores que el lector obtenga un panorama completo de las ventanas y el ahorro de energía que es posible alcanzar con ellas. Por consiguiente, a continuación se proporciona con más detalle el balance de energía para ventanas (ASHRAE, 1989).

3.10.2 Balance de energía para ventanas

Como se vio al comienzo de este capítulo, en cualquier instante el balance de energía entre la superficie de una ventana iluminada por los rayos solares y el medio que la rodea es

qR + qA + qT + qRCo + qRCi = It + U(To-Ti) (3.11)

donde

173

qR calor reflejado por el vidrio (W/m2) qA calor absorbido por el vidrio (W/m2) qT calor transmitido a través del vidrio hacia el interior (W/m2) qRco calor que sale por el vidrio al exterior por radiación y por convección (W/m2) qRci calor que llega al vidrio por radiación y convección (W/m2) It radiación solar incidente (W/m2)

U coeficiente total de transferencia de calor del vidrio (W/m2 K) To temperatura del exterior (K) Ti temperatura del interior (K)

En general, la magnitud de qA es relativamente pequeña si la ventana está compuesta sólo por vidrio común. La tasa de producción de calor al exterior o calor rechazado a la atmósfera es la suma de qR y qRCo. El coeficiente total de transferencia de calor se determina con la ecuación siguiente

++

=

kL

hh

U

io

111 (3.12)

donde

hi coeficiente combinado de radiación y convección–cara interna del vidrio (W/m2 K) ho coeficiente combinado de radiación y convección–cara externa del vidrio (W/m2 K) L espesor del vidrio (m) k conductividad térmica del vidrio (W/m K)

Si se desea conocer la cantidad total de calor que entra por la ventana entonces se considera

q = It τ + Ni(αIt) + U(To-Ti) (3.13)

donde

It τ radiación solar transmitida a través del vidrio Ni(αIt) parte absorbida de la radiación solar que se libera en el interior U(To-Ti) cantidad de calor que pasa al interior por la diferencia de temperaturas Ni factor que indica el porcentaje de calor que pasa al interior, por ventana

de un solo vidrio sin recubrimiento, es igual a U/ho

174

La cantidad total de calor que entra por la ventana (q) también puede obtenerse calculando por separado la componente convectiva, la de radiación y la de conducción.

3.10.3 Simulación y ahorro de energía con ENERGY-10

Con el fin de probar la viabilidad de este tipo de materiales y sus grandes posibilidades de aplicación inmediata a las condiciones de vivienda de nuestro país, se realizó una simulación de los flujos de energía a lo largo de un año para un departamento de interés social.

Se utilizó para ello el software conocido como ENERGY-10, programa que permite simular flujos de energía y sugerir estrategias para el ahorro y uso eficiente de la energía en el diseño de edificaciones, según el tipo y uso.

Se escogieron dos tipos de climas característicos de nuestro país; el templado, predominante en el centro del país, donde se concentra la mitad de la población del país; y el clima cálido extremoso, como el de la ciudad de Mexicali, BC, que se caracteriza por tener un elevado consumo energético a lo largo de todo el año, tanto para calefacción como para enfriamiento (aire acondicionado).

No es propósito de este libro hacer un estudio detallado del diseño y eficiencia energética de los materiales de construcción, sino únicamente ejemplificar los posibles ahorros en el consumo de energía que se tendrían en un departamento estándar por incluir ventanas que controlen y regulen los flujos de calor hacia el interior y el exterior de la habitación. Ventanas que pueden ser producidas en México, con materiales de fácil adquisición y empleando una tecnología ampliamente difundida industrialmente para hacer depósitos de películas delgadas en gran escala y a bajo costo. Los detalles sobre la tecnología se explicaron en el cap 2, sobre desarrollo de espejos para concentradores solares.

Se tomaron como referencia los departamentos de una unidad habitacional del FOVISSSTE, ubicada al sur de la ciudad de México. El caso base, que es el departamento tal y como se encuentra, se definió con las siguientes características: área de 70 m2, con techo de concreto, suelo de mosaico y paredes construidas con dos materiales, una parte de concreto y otra parte con ladrillo hueco. El edificio presenta una orientación de norte a sur, con ventanas de vidrio tipo cal-sosa de 3 mm, cuatro en su cara norte y cuatro en su cara sur.

175

Fig 3.48 Consumo anual de energía para clima seco extremoso

Fig 3.49 Consumo anual de energía para clima templado con lluvias en verano

El caso de ahorro de energía incorpora control de iluminación (para cuantificar el efecto de dejar las luces encendidas al momento de salir de la habitación) y ventanas de vidrio cal sosa de 3 mm con un recubrimiento de Cu2O-CuS. Los departamentos en ambos casos se consideraron habitados por cinco personas y con calefacción por resistencia eléctrica; mientras que, para el clima extremoso, se consideró adicionalmente un equipo de aire acondicionado a base de un ciclo de expansión directa.

A continuación, se presentan los resultados de la simulación energética. Las figs 3.48 y 3.49 muestran los consumos de energía anuales, por usos finales. La fig 3.48 corresponde a un clima como el que tiene la ciudad de Mexicali, BC, mientras que la fig 3.49 sería para un clima templado como el de la ciudad de México. Se aprecia que el

176

calentamiento y el enfriamiento o aire acondicionado, son las variables más importantes puesto que representan más de la mitad del consumo energético.

En segundo lugar de importancia quedan los consumos —señalados en las gráficas como otros—, por calentamiento de agua, usos de la electricidad distintos a la iluminación, etc. Para ambas ciudades no hay diferencias apreciables.

En tercer sitio destaca el consumo por iluminación. Estrategias de control sobre la iluminación, por ejemplo, mediante sensores de movimiento llegan a tener participación tal que pueden representar un ahorro de 10 a 15 MJ/m2 anuales.

La importancia del uso de las ventanas con película selectiva al paso del calor es evidente si analizamos que el mayor potencial de ahorro de energía se encuentra en calefacción y aire acondicionado. En la simulación, para evidenciar la influencia de las ventanas especiales con el recubrimiento de Cu2O-CuS, se mantuvieron sin cambio todas las variables a excepción de las estrategias de control de iluminación, tipo de ventanas y uso de aleros en ellas con el fin de proporcionar sombreado durante ciertas horas de soleamiento directo.

Al analizar las figs 3.48 3.49, se observan las diferencias en los requerimientos impuestos por las variables climáticas: para Mexicali se obtiene el doble de la demanda energética necesaria para la ciudad de México, tanto en el caso base como en el de ahorro. Por esta razón son tan importantes los posibles ahorros de energía.

En la fig 3.48 se aprecia que en Mexicali hay un ahorro potencial anual del orden de 180 MJ/m2, que representa el 24 % del consumo total del caso base. Por su parte, bajo las condiciones climáticas de la ciudad de México se tendría un ahorro de alrededor de 80 MJ/m2, un 16 % del consumo total de la energía necesaria en el caso con las ventanas convencionales. Las ventanas selectivas reducen las grandes oscilaciones térmicas a lo largo del día mediante el control de la luz y el infrarrojo o calor.

Las figs 3.50 y 3.51 presentan el desglose de costos de la energía por usos finales en pesos corrientes (considerando el costo de la energía en el 2001). En la fig 3.50 sobresale que para el clima extremoso el costo del aire acondicionado es elevado debido a que es mucha la demanda de enfriamiento en épocas de calor, aunque también es ahí donde más ahorro se obtiene por el uso de las ventanas. Para la simulación en la ciudad de México se considera que no es necesario el uso del aire acondicionado, por tal razón no existe consumo de energía para este apartado.

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Fig 3.50 Desglose de los costos energéticos para la ciudad de Mexicali. Clima seco extremoso

Fig 3.51 Desglose de los costos energéticos para la ciudad de México. Clima templado con lluvias en verano

Aparentemente no es mucho el costo de la calefacción; sin embargo, como se observó en las figs 3.48 y 3.49, el consumo energético por calefacción es el segundo en importancia (100 a 200 MJ/m2).

Los costos por calefacción para la ciudad de México son 30 % menores con respecto a los de Mexicali en ambas situaciones, el caso base y el caso ahorro de energía. La calefacción se realiza por medio de resistencias eléctricas en las dos ciudades y en los dos casos.

178

Finalmente, lo más digno de resaltar es el gran ahorro de energía que hay por incorporar las ventanas especiales en las dos ciudades: el ahorro en energía por calentamiento es de aproximadamente el 40 % ($11/m2 en Mexicali y $7/m2 en la ciudad de México). Esto significa que durante épocas de frío, las ventanas con la película selectiva de óxido cuproso-sulfuro de cobre impiden que el calor del interior se escape rápidamente como ocurriría si las ventanas tuvieran únicamente el vidrio común. Al enfriarse menos el interior, la demanda energética para calefacción también es menor. Este mismo efecto es contrario durante el verano, pues al haber mayor temperatura exterior, parte de la energía calorífica del ambiente tiende a pasar a través de los vidrios hacia el interior. Sin embargo, el recubrimiento selectivo solo permite el paso de la luz visible recha-zando al calor; esto se refleja en una menor carga térmica, que es necesario eliminar del interior de la edificación, para alcanzar las temperaturas de confort. Para ambas ciudades, éstas se fijaron en 21ºC como lo establecen las normas de ASHRAE (2001).

3.11 Conclusiones

Se obtuvieron ventanas con recubrimientos selectivos de la energía solar. De ellas, las ventanas de Cu2O-CuS permiten aproximadamente un 20 % de ahorro de energía, según estimados hechos por medio de simulaciones por computadora. Dependiendo del tipo de clima varía el grado del ahorro: en la ciudad de Mexicali se consume el doble de energía que en la ciudad de México; en términos porcentuales, para Mexicali se obtuvo 24 % de ahorro (180 MJ/m2) y para la ciudad de México 16% (80 MJ/m2).

Como estas ventanas regulan la radiación calorífica principalmente, los mayores ahorros energéticos se obtienen en los usos de calentamiento y aire acondicionado. El empleo de sistemas pasivos, como estas ventanas con recubrimiento de Cu2O-CuS, reducen las oscilaciones térmicas en el interior de las habitaciones, lo que se traduce en mejoría de las condiciones de confort.

La aplicación de este tipo de ventanas es amplio inclusive en sitios donde el clima es más benigno. Se sugiere su uso para reducir el consumo de energía, pues el ahorro monetario que se consigue es de tomarse en cuenta.

Las películas delgadas depositadas sobre sustratos de vidrio demostraron su gran resistencia al ataque del medio ambiente y a grandes períodos de insolación. En un ambiente marino, la duración a la corrosión disminuye apreciablemente, pues el contacto con la sal acelera los procesos corrosivos. Estos procesos se inician al

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producirse un ampollamiento del recubrimiento subyacente al penetrar dichos agentes por poros que permiten la difusión a la interfase con el vidrio del sustrato. Su crecimiento radial lo determinaría la simple difusión, si se tratara de una película uniformemente adherida al sustrato. Tal morfología se determinó para pequeñas ampollas, es decir, durante la etapa de nucleación. Se produjo corrosión en la interfase película/sustrato de vidrio, con formación de productos más voluminosos que la película inicial, lo que favorece el desprendimiento de ambos tipos de películas.

Los espectros en infrarrojo y los análisis por EDX señalan que el principal producto de corrosión formado en ciertas zonas de la superficie de la película es el CuO, siguiendo los mecanismos antes descritos, y después, por algún medio físico, éste se desprende dejando al descubierto una superficie “fresca” de Cu2O. El resultado es que se observa una descamación en la muestra, que corresponde al desprendimiento de las ampollas, acompañada de un ligero cambio en su coloración resultado del adelgazamiento de la película. El mecanismo de corrosión es superficial.

Con el fin de continuar mejorando los estudios sobre los flujos térmicos y el ahorro de energía de estos sistemas capaces de regular el paso de la radiación, se están haciendo simulaciones considerando el ángulo de incidencia de la radiación solar y la aplicación de modelos de transferencia de calor más específicos. Para ello se hará uso de software más especializado, el TRNSYS.

La ventana de más simple elaboración donde se sustituye la película de sulfuro de cobre por otra de cobre proporciona resultados similares de baja transmisividad en el infrarrojo, por lo que es una tercera opción viable.

Se trabajó también en la fabricación de una ventana activa termocrómica con base en bióxido de vanadio. Hasta ahora, los resultados espectrales y de composición química obtenidos, con este compuesto, son promisorios; resta perfeccionar la técnica de depósito de la película y medir su coeficiente de transferencia de calor.

Uno de los principales logros con respecto a esta ventana fue el depósito de la película selectiva de bióxido de vanadio en un sustrato de vidrio cal sosa de los usados convencionalmente en las casas y edificios. Los trabajos de investigación sobre el tema han reportado depósitos similares pero sobre sustratos, con áreas muy pequeñas, de cuarzo o de silicio (Christmann et al, 1996; Kusano y Theil, 1989). En este proyecto se

180

trabajó a escala semindustrial y con materiales convencionales para comprobar la viabilidad tecnológica de la producción de elevados volúmenes en México.

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4. ESTANQUES SOLARES: IMPERMEABILIZACIÓN Y OSCILACIONES TÉRMICAS

Gerardo Silva Rafael Almanza

Óscar Callejas 4.1 Introducción

En el libro Ingeniería de la Energía Solar (Almanza y Muñoz, 1994) se describen diferentes aspectos relacionados con estanques solares. Éstos abarcan desde la definición de un estanque, sus ventajas y desventajas, además de algunos modelos matemáticos, hasta diversas aplicaciones, como generación de vapor, desalación de agua, y aspectos relativos a la refinación y recuperación de sales. Asimismo, se hace una breve descripción del uso de suelos arcillosos como una opción para la impermeabilización de dichos estanques.

Ya que esta tecnología ha seguido avanzando en diversos países (Robbins et al, 1995, Hassairi et al, 2001), uno de los principales objetivos que se plantean es la reducción de costos, así como la comprensión de otros fenómenos del cuerpo de salmuera que conforma al estanque, con el fin de predecir su comportamiento a largo plazo y evitar la contaminación del subsuelo y de los acuíferos.

En la primera parte de este capítulo, se presenta una serie de alternativas para emplear suelos arcillosos como impermeabilizantes, como opción para reducir el costo y el riesgo de contaminación en el subsuelo. En la segunda parte se expone un aspecto completamente diferente, pero también de primordial importancia, puesto que tiene que ver con el rompimiento de la capa no convectiva debida, principalmente, a la difusión ascendente de sales a lo largo del tiempo.

185

La reunión de ambos temas podría desconcertar al lector, pues son completamente diferentes; el primero de ellos tiene que ver con la mecánica y fisicoquímica de suelos, mientras que el segundo está relacionado con la mecánica de fluidos y la transferencia de calor (convección). Sin embargo, los autores consideran que dichos temas deben presentarse en un solo capítulo, ya que su desarrollo se ha enfocado a estanques solares, condición impuesta por el carácter multidisciplinario de esta tecnología.

4.2 Uso de arcillas como impermeabilizantes en estanques solares

4.2.1 Antecedentes

El primer paso en el diseño de sistemas de almacenamiento es buscar el sitio más apropiado, con base en las condiciones óptimas desde el punto de vista hidrológico, geológico y geotécnico. El segundo paso es realizar una extensa investigación geotécnica en el sitio. En cuanto al diseño físico del sistema de confinamiento se debe evaluar el sistema de disposición. Esto debe incluir consideraciones de permeabilidad y deformación a largo plazo, así como cambios en las propiedades debido a la interacción con el material almacenado. Cuando la capacidad de deformación del subsuelo no cumpla los requisitos, hay que considerar el mejoramiento del suelo de cimentación (Van Impe, 1994). Los estanques solares funcionan como diques de nivel bajo que almacenan salmueras, por lo que debe tomarse en cuenta la elevación del nivel freático. Los perfiles de suelo ideales para dichos estanques son aquéllos con un nivel freático profundo (Fredlund y Rahardjo, 1993).

Los estanques solares de gradiente salino son sistemas artificiales donde se almacenan salmueras de alta concentración, las cuales son un producto de valor económico, además de contaminante, por lo que es importante resolver el problema del control de filtraciones a través del terreno; aparte de las filtraciones, el flujo de calor del fondo del estanque hacia el subsuelo reduce la eficiencia de dichos sistemas. Por ello, es necesario seleccionar un material adecuado que sirva como barrera para impermeabilizar, aislar térmicamente y, al mismo tiempo, evitar la contaminación de los acuíferos y cualquier otro sistema subterráneo. La opción es emplear revestimientos a partir de suelos arcillosos, en vez de materiales sintéticos.

En el caso de estanques solares, la mayor preocupación son las pérdidas de salmuera concentrada. Debido a la gran extensión que se requiere cubrir, la necesidad de un recu-

186

brimiento eficiente pero barato es evidente. En los últimos años se han desarrollado gran variedad de técnicas de impermeabilización; sin embargo, los métodos de impermea-bilización con suelos compactados son los que mejor se adaptan a las condiciones nacionales pues, además de contar con varios años de experiencia de operación exitosa, frecuentemente resultan los más económicos. La posibilidad de usar membranas sintéticas es menor, pues además de ser demasiado costosas, son de comportamiento incierto debido a posibles defectos de fabricación, instalación y a las condiciones propias de operación, como, por ejemplo, la alta temperatura del suelo (Auvinet y Esquivel, 1986).

4.2.2 Tipos de revestimientos

En términos de materiales para revestimiento hay una clara distinción entre revesti-mientos minerales (arcillas y mezclas de arena-arcilla) y revestimientos artificiales (geomembranas, revestimientos asfálticos, etc). La aplicación de geosintéticos es una herramienta novedosa para prevenir la contaminación en rellenos sanitarios y confinamientos controlados, ya que permite el control y tratamiento adecuado de líquidos y gases contaminantes. Actualmente, ciertas organizaciones o reglamentos, como la Agencia de Protección Ambiental de EUA (USEPA) o las regulaciones federales en Alemania, exigen sistemas de revestimiento doble o compuesto como condición para construir rellenos con desechos peligrosos. En dichos sistemas pueden intervenir productos geosintéticos que utilizan arcillas del tipo de las bentonitas.

En general, los materiales geosintéticos son manufacturados a partir de polímeros. Entre ellos están las geomembranas y los geotextiles. Los geotextiles son textiles en el sentido tradicional; sin embargo, los tejidos se hacen usualmente de productos del petróleo o de fibra de vidrio. Pueden ser tejidos, anudados o no tejidos. En cuanto a las geomembranas, al seleccionarlas se deben considerar sus propiedades mecánicas: maniobrabilidad, deslizamiento, agrietamiento por esfuerzo y coeficiente térmico de expansión, así como la estabilidad de pendiente lateral (Das, 1994).

Por otra parte, los revestimientos geosintéticos son casi impermeables y se han propuesto en la bibliografía diversas combinaciones para sistemas de revestimientos sintéticos compuestos. Los diseños que usan geosintéticos deben basarse en revesti-mientos sintéticos y minerales combinados debido a los severos requisitos para traslapos de revestimientos geosintéticos y la posibilidad de pequeñas perforaciones a través de estos materiales, muy delgados (≤ 15 mm) (Van Impe, 1994).

187

Fig 4.1 Revestimiento geosintético con arcilla-

Una capa compactada de arcilla de al menos 60 cm de espesor con conductividad hidráulica menor de 1 x 10-9 m/s ha sido un requisito típico. Un comportamiento satisfactorio a largo plazo de capas compactadas de arcilla no puede asegurarse cuando hay desecación, ciclos de congelamiento y deshielo, o excesivo asentamiento del material subyacente. Parcialmente en respuesta a este tipo de problemas, se han desarro-llado los revestimientos de arcilla geosintéticos (GCL), con el fin de utilizarlos como barreras de materiales elaborados básicamente en capas. Los GCL están compuestos de geosintéticos y una delgada capa de arcilla, usualmente bentonita, adherida a una geomembrana, o bien intercalada entre dos capas de geotextiles (fig 4.1).

Este último tipo de GCL contiene regularmente alrededor de 4 a 5 kg/m2 de bentonita sódica. Su espesor en seco es de 6 mm, pero al hidratarse se expande aproximadamente a 12 mm. La presión de expansión por fuerzas de repulsión entre partículas es de cerca de 2 MN/m2, mientras que las correspondientes a la expansión entre cristales por adsorción de dos, tres y cuatro capas de moléculas de agua son de 100 y 27 MN/m2, respectivamente. Los geosintéticos se manufacturan en páneles con espesor de aproximadamente 5 m y longitudes hasta de 60 m (Mitchell, 1994; Koerner et al, 1995).

Los revestimientos deben cumplir principalmente con tres condiciones: 1) tener una conductividad hidráulica (permeabilidad) relativamente baja, 2) ser compatibles con el líquido almacenado, y 3) tener capacidad de atenuación relativamente alta.

En EUA se requiere que la permeabilidad para barreras de tierra y tierra tratada sea igual o menor de 1 x 10-9 m/s, con valores permitidos en algunos casos de 1 x 10-8 m/s. Los requisitos para barreras de geomembrana se especifican comúnmente en términos de un espesor mínimo aceptable y tipo de material, más que de una conductividad máxima permitida. No obstante, la efectividad completa de una barrera para prevenir flujo y difusión depende tanto de su conductividad como de su espesor (Mitchell, 1994).

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TABLA 4.1

Material Permeabilidad (m/s)

Espesor típico (m)

Permisividad (s-1)

Arcilla compactada 1 x 10-9 0.9 1.1 x 10-9 Geomembrana 1 x 10-14 0.001 – 0.002 0.5 - 1 x 10-11

Arcilla-geosintético 1 x 10-12 - 1 x 10-10 0.012 8 x 10-11 - 8 x 10-9

La permisividad, definida como la relación entre la conductividad hidráulica y el espesor, equivale a la velocidad de flujo correspondiente a una diferencia de carga unitaria a través de la barrera. La permisividad es una medida útil de la efectividad relativa de diferentes sistemas de barreras. Algunos valores típicos de conductividad hidráulica de diferentes materiales para barreras, así como espesores usuales para barreras hechas con los materiales indicados, se muestran en la tabla 4.1.

El transporte químico puede ser dominado por advección, donde las especies disueltas suspendidas son transportadas por el flujo del líquido, o bien por difusión. El flujo por difusión es impulsado por gradientes de potencial químico, pero para la mayoría de las aplicaciones se pueden usar en el análisis gradientes químicos de concentración. El coeficiente de difusión se mide y expresa en términos de gradientes químicos (Mitchell, 1993).

La difusión molecular contribuirá en una pequeña parte del total del flujo químico a través de la barrera, con la dirección del flujo de la zona de alta concentración a la de baja concentración, y su magnitud proporcional a la diferencia de concentración. Los coeficientes de difusión química están típicamente en el intervalo de 2 x 10-10 a 2 x 10-9 m2/s, para difusión a través de suelos, y en el orden de 3 x 10-14 m2/s para difusión a través de geomembranas. En materiales con bajas conductividades hidráulicas, la difusión molecular de contaminantes puede ser importante con la advección. Aun con difusión, el transporte químico total a través de barreras de suelo y geomembranas será bajo para sistemas de barreras de conductividad hidráulica baja, dado que la diferencia de carga a través de la barrera es pequeña (Mitchell, 1994).

No hay un tipo de barrera que sea totalmente impermeable al transporte químico. Sin embargo, las barreras disponibles actualmente pueden construirse para cumplir las exigencias de conductividad hidráulica y ser suficientemente resistentes al flujo por

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advección y difusión, por lo que resultan seguras para la protección ambiental (Mitchell, 1994).

Para determinar el diseño final de un revestimiento, deben hacerse pruebas de compatibilidad específicas con los materiales propuestos como barreras y en condiciones representativas del sitio en el cual se construirá. Su propósito es determinar la posibilidad de que el líquido almacenado cause un incremento en la permeabilidad del material utilizado como revestimiento. Se han hecho diversos estudios para determinar el efecto de diferentes soluciones químicas en laboratorio. Algunos resultados han sido contradictorios, y se han postulado varias razones para explicar estos resultados opuestos, incluyendo procedimientos de prueba inapropiados. Sin embargo, debido al amplio rango de composiciones químicas y a los diferentes materiales potenciales para revestimientos, las pruebas de compatibilidad son un componente necesario para evaluar posibles materiales para revestimientos (Shackelford y de Mello, 1994).

La atenuación se refiere a la reducción en la velocidad y/o magnitud de la migración de contaminantes debido a reacciones físicas, químicas y/o biológicas (Shackelford y Nelson, 1996). Los mecanismos de atenuación y sus efectos netos son los siguientes: la adsorción (inmovilización, si el cambio de pH no es alto), el intercambio catiónico y aniónico (inmovilización de los componentes, pero elusión de algunos otros elementos, causando incremento en su concentración), la dilución (reducción de la concentración), la precipitación (inmovilización en la mayoría de los casos; los cambios de pH y potencial redox tienen efecto significativo) y la filtración (inmovilización) (Bagchi, 1989).

Un tipo especial de membrana sintética es el EPDM (monómero diene-etileno propileno), que es una categoría especial de hule butilo y es el único que puede emplearse para altas temperaturas (de 80 a 100°C) (Auvinet y Esquivel, 1986). Sin embargo, el material tiene que ser sellado térmicamente en el sitio, lo cual es una operación difícil, además de que el material es costoso. Un estanque de 6 250 m2 fue revestido con EPDM, de aproximadamente 1.5 mm de espesor, el cual tiene gran resistencia al calor, la sal y los rayos UV, y después de siete años todavía parecía estar en buenas condiciones (Tabor y Doron, 1987). Por otro lado, en la investigación de una técnica económica de impermeabilización para usarse en un almacenamiento de calor estacional por medio de una fosa de agua caliente de aproximadamente 1 500 m3, se

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probó una técnica de revestimiento de arcilla híbrida en dos etapas: una capa espesa de arcilla y un sello secundario de revestimiento sintético delgado, ya sea con una membrana plástica como el polietieleno (PE) o elastomérica (EPDM), en función de la estabilidad lateral al deslizamiento (Duer y Svendsen, 1993).

Se han usado con gran éxito materiales plásticos como revestimientos para pequeños prototipos de estanques solares. Sin embargo, la experiencia con grandes estanques solares (mayores de 5 km2) construidos para generación de electricidad muestra que si se usan tales revestimientos sintéticos, el costo del estanque solar se incrementa hasta en un 30 %. Los revestimientos con arcillas locales pueden ser la respuesta para reducir el costo del revestimiento para estanques solares grandes, particularmente en países en desarrollo. Se debe investigar el uso potencial de arcillas y materiales disponibles localmente como revestimientos para estanques solares. Un método de bajo costo para revestimientos de estanques consistió en utilizar plásticos baratos, como el polietileno (PE), en forma de sándwich con suelos arcillosos. Este método se probó en un estanque de 40 000 m2 con buen resultado después de algunas modificaciones. La utilidad neta fue la posibilidad de construir estanques con un costo hasta tres veces menor que con membranas sintéticas (Tabor y Doron, 1987). Un efectivo y económico diseño de revestimiento puede consistir en una película de polietileno de baja densidad (LPDE) manufacturada localmente, colocada entre dos capas de arcilla local compactada (Jubran et al, 1996). No obstante, el polietileno presenta ciertas desventajas: baja confiabilidad de las juntas, piezas de tamaño reducido, rigidez y baja resistencia al arrugamiento (Auvinet y Esquivel, 1986).

La primera aplicación de un GCL en un estanque solar se realizó en la Universidad de Texas en El Paso (Robbins et al, 1995). Originalmente se había instalado como impermeabilizante una membrana plástica, consistente en una tela de poliéster recubierta con PVC con una masa por unidad de área de 1.0 kg/cm2, como parte principal de un sistema de revestimiento doble, en el que el confinamiento secundario estaba formado por una membrana ya existente de hypalon (resina de polietileno clorosulfonado, CSPE). Una exhaustiva investigación demostró que la falla del revestimiento fue amplia y muy prematura respecto al tiempo de vida estimado. La pérdida de elasticidad fue probablemente el factor individual más importante en la falla final; se estima que dicho factor se debió a los efectos de las altas temperaturas, salmueras y bajo pH a los que estuvo expuesto el revestimiento en el estanque solar. El

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costo y facilidad de instalación fueron los principales factores en la decisión para diseñar un sistema de revestimiento empleando un GCL. De los comúnmente disponibles en el mercado, se seleccionó uno consistente en una capa de bentonita pegada a una membrana de polipropileno de 0.075 cm, con el fin de proporcionar resistencia a las altas temperaturas experimentadas en el fondo del estanque. El proceso de hidratación es crítico para la eficiencia del revestimiento, por lo que la bentonita se sometió a una prehidratación con agua dulce antes de interactuar con la solución saturada de NaCl, para lograr la expansión de la arcilla y el sellado de las uniones. El estanque completo fue cubierto con una membrana sellada de polipropileno de 0.075 cm, la cual ofrecía un confinamiento secundario y formaba la base del dispositivo experimental. El sistema de revestimiento primario consistió en el GCL para el fondo del estanque y un revestimiento de polipropileno de 0.1 cm para los lados del mismo, en sustitución del GCL, el cual no puede emplearse lateralmente debido a que la capa de bentonita hidratada no soporta esfuerzos cortantes para un ángulo mayor de 15°, correspondiente al determinado para las pendientes laterales. Desgraciadamente, el GCL sólo se probó durante dos años, hasta que se presentó una falla en la membrana de polipropileno de 0.1 cm situada en los bordes laterales del estanque, por arriba del nivel del agua, producida por un deterioro del material por exposición a los rayos UV, atribuido a un defecto de fabricación. Dicho material, así como el GCL, se sustituyó por una nueva membrana mejorada de polipropileno de 0.15 cm, cuyas juntas están soldadas y con ésta se cubrió el estanque entero. Esta barrera sigue funcionando bien hasta la fecha (enero de 2002) (Lu, 2002; comunicación personal).

La permeabilidad de los GCL es de particular importancia para proteger el agua subterránea cuando actúan ante soluciones salinas utilizadas para deshelar. Es conocida la vulnerabilidad de los revestimientos de arcilla compactada a grandes incrementos en conductividad hidráulica por ciclos de congelamiento/deshielo, aun cuando las mezclas compactadas de suelo-bentonita pueden no ser tan vulnerables al daño. Datos limitados de laboratorio indican que los revestimientos de geosintéticos no sufren incrementos de permeabilidad como resultado de ciclos de congelamiento-deshielo. Por tanto, según los datos disponibles, los GCL parecen superiores en términos de resistencia a ciclos de congelamiento/deshielo. Sin embargo, hace falta información adicional en esta área. Las investigaciones muestran que la permeabilidad de los GCL a soluciones salinas es dependiente, en grado decisivo, del contenido de agua o grado de expansión de la bentonita. Si el revestimiento no se seca, y presenta contenidos de agua de aproxima-

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damente 100 a 150 %, las permisividades determinadas en las investigaciones, de 1 a 4 x 10-9 s-1, están dentro del mismo intervalo que en otras investigaciones de permeabilidad (Koerner et al, 1995).

En comparación con los geosintéticos, los revestimientos con arcilla compactada presentan las siguientes ventajas: no sufren perforaciones, ofrecen mayor tiempo de contención, tienen gran capacidad de atenuación de los lixiviados y, aunque su costo es variable, generalmente es menor.

4.2.3 Revestimientos minerales

Esta obra geotécnica involucra deformación del suelo, estabilidad volumétrica y flujo de fluidos, sustancias químicas y energía en varias formas. Existen consideraciones que tienden a complicar el análisis de flujo y presiones en el suelo, como la posible existencia de tensiones en el agua de poro, diferencias de composición y campos de fuerza adsorbente de las superficies de las partículas, diferencias en fuerzas entre partículas y en el estado de energía del fluido de poro de un punto a otro debido a gradientes térmicos y químicos. Tales gradientes causan flujo de fluidos, deformaciones y cambios de volumen (Mitchell, 1993).

Los materiales usados para revestimientos térreos artificiales son:

1) Suelos nativos, tanto de grano fino (limo y arcillas) como suelos gruesos con cantidades significativas de finos.

2) Mezclas de suelos, como arena con bentonita sódica.

3) Suelos mejorados o químicamente estabilizados, como arcilla con cal.

Mediante un estudio geotécnico se evalúa si los suelos locales pueden emplearse para impermeabilizar o, en su caso, definir los problemas de estabilidad que éstos plantearán para la aplicación de un método de impermeabilización dado. En muchos casos, el suelo encontrado en el sitio puede no ser plástico; esta clase de material puede mezclarse con minerales arcillosos, como bentonitas, para lograr las propiedades deseadas. La calidad de las mezclas de arenas limosas con bentonitas será altamente dependiente de la distribución de tamaño de grano de todos los constituyentes, la homogeneidad de la mezcla, el contenido de agua al mezclar y la densidad de la mezcla en la instalación. La arena limosa debe ser bien graduada para suministrar la interacción óptima con los

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minerales de bentonita, lo que es de gran importancia para eliminar pequeñas fisuras al trabajar bajo gradientes de temperatura.

Además de los minerales arcillosos, los suelos cohesivos generalmente contienen también otros componentes, principalmente carbonatos, materia orgánica, óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio, sulfatos y sulfuros, los que pueden reaccionar con los lixiviados. Para evitar cambios perjudiciales, se deben estipular en las regulaciones y observar en la práctica valores límite de estos componentes. El diseño geotécnico y construcción de revestimientos minerales eficientes para estanques solares implica el análisis de varios aspectos, tales como el control de filtraciones, el transporte de sales hacia el subsuelo y el aislamiento térmico.

4.2.3.1 Control de filtraciones

a) Pruebas de permeabilidad

Para estimar las filtraciones en un estanque se puede suponer que el flujo esté gobernado por la ley de Darcy. La ley de Darcy establece una relación directamente proporcional entre el gasto de filtración Q y el gradiente hidráulico i en los análisis de flujo y consolidación, es decir, Q = kiA; donde k es la conductividad hidráulica (permeabilidad) y A el área de la sección transversal a la dirección del flujo. Existe evidencia de que dicha ley se cumple exactamente en arcillas saturadas, pero que pueden surgir aparentes desviaciones como resultado de la migración de partículas, efectos electrocinéticos y gradientes químicos de concentración (Mitchell, 1993).

Las pruebas de permeabilidad tienen como propósito medir la conductividad hidráulica (permeabilidad) del suelo al agua. La determinación de la permeabilidad es la principal prueba de laboratorio realizada en suelos arcillosos compactados, para evaluar la conveniencia de utilizarlos en la construcción de revestimientos con arcillas compactadas en sitios de rellenos o almacenamientos superficiales para desechos peligrosos. De acuerdo con el valor obtenido, se puede juzgar si el revestimiento de suelo arcilloso impedirá el movimiento de los lixiviados hacia los cuerpos de agua adyacentes a las instalaciones de disposición final (Craig, 1981).

La conductividad hidráulica es función de dos factores: 1) la estructura del medio poroso, y 2) las propiedades del fluido. El diseño tradicional de revestimientos, se ha

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basado principalmente en el flujo saturado y en la minimización de la conductividad hidráulica saturada (permeabilidad) del material usado como barrera. En los enfoques no tradicionales se pone mayor énfasis en la consideración de flujo no saturado, reacciones fisicoquímicas y transporte de contaminantes (Shackelford y Nelson, 1996).

Existen diferencias básicas en la naturaleza y comportamiento físico entre un suelo saturado y uno no saturado. En el caso del suelo no saturado, éste consta de tres fases (sólida, líquida y gaseosa) y la presión del agua de poro es negativa respecto de la presión de aire de poro. El proceso de excavar, remoldear y recompactar un suelo no saturado da como resultado un material no saturado. La caracterización del coeficiente de permeabilidad es una función de la presión de agua de poro negativa y es, por tanto, una variable en el análisis de flujo, por lo que se debe considerar esto en el procedimiento y equipo por utilizar para caracterizar dicho coeficiente en laboratorio (Fredlund y Rahardjo, 1993).

Diversos factores influyen en el comportamiento de un revestimiento de tierra arcillosa: tipo de mineral arcilloso y su textura (tamaño de partícula de suelo y distribución del tamaño de partícula), contenido de agua de moldeo, esfuerzo de compactación, esfuerzo efectivo, tipo de permeante, su concentración, temperatura y tiempo de exposición. La composición mineral y la actividad A (relación entre el índice de plasticidad y el porcentaje de partículas menores de 2 µm) son dos factores primordiales en la permeabilidad. La actividad de las arcillas sigue el orden decreciente: esmectitas > atapulgita > ilita > caolinita.

En la literatura sobre el tema, se recomiendan distintas especificaciones en cuanto a límites de Atterberg y granulometría del material para revestimiento. Generalmente, estas recomendaciones se han hecho con el fin de lograr bajas permeabilidades en campo (k ≤ 1 x 10-9 m/s). Esto se consigue al incrementar la maniobrabilidad del suelo y, con ello, reducir la existencia de macroporos y otros defectos secundarios que son potencialmente perjudiciales para el revestimiento de arcilla. Si se aumenta la cantidad de finos, particularmente de material arcilloso, y se limita la cantidad de material grueso, se minimiza el máximo valor de la relación tamaño de partícula-terrón permitido para material de revestimiento, con lo cual se disminuye el riesgo potencial de macroporos y defectos estructurales, así como la permeabilidad.

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La Agencia de Protección Ambiental de EUA (USEPA) exige que los revestimientos de arcilla tengan un coeficiente de permeabilidad de 10-9 m/s o menor. En función de alcanzar dicho valor, el suelo debe cumplir con el siguiente criterio (EPA, 1989):

1. Tener al menos 20 % de finos (partículas del tamaño de arcilla y limo fino).

2. El IP deberá ser mayor de 10. Los suelos que tienen un IP mayor de 30 son difíciles de manejar en campo y son más susceptibles de sufrir desecación y agrietamiento.

3. No deberá contener ninguna partícula ni pedazo de roca que sea mayor de 1.2 pulgadas (≈ 25 - 50 mm).

Además del tipo de líquido permeante, entre los factores que afectan la permeabilidad de las arcillas compactadas están el contenido de agua y el correspondiente peso seco de compactación alcanzado, así como el esfuerzo y tipo de compactación empleados. Los parámetros más importantes para controlar el coeficiente de permeabilidad, k, de una arcilla compactada son (Auvinet y Esquivel, 1986; Mitchell y Jaber, 1990):

1. Contenido de humedad y peso unitario seco de compactación. Se observa que al compactar in situ con un contenido de agua del lado húmedo del óptimo, de tal manera que se logre un alto peso unitario seco, el suelo tendrá un bajo coeficiente de permeabilidad (por ejemplo, un contenido de agua superior en 5 % al óptimo Proctor); asimismo, la homogeneidad es importante, por lo que la arcilla se debe curar durante una semana antes de extenderse y compactarse. Igualmente, se observa que un equipo de amasado pesado, como un tractor agrícola o rodillo pata de cabra, introduce una mayor deformación por corte durante la compactación, y crea una estructura más dispersa del suelo y una menor permeabilidad. Se recomienda que la longitud de la pata sea igual o mayor que el espesor de la capa suelta de suelo para lograr una correcta unión entre capas.

2. Tamaño de los terrones. A mayor tamaño de terrón la permeabilidad se incrementa varios órdenes de magnitud; sin embargo, el grado de aumento en k disminuye con el incremento en el contenido de agua. Por tanto, en la preparación de los revestimientos es importante que los terrones se rompan mecánicamente al menor tamaño posible; por ejemplo, mediante un equipo pesado de compactación por amasado.

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3. Liga entre capas. Es fundamental la unión entre capas sucesivas; de otra manera, el líquido puede moverse a través de grietas verticales en el revestimiento y viajar a lo largo de las interfases entre dos capas hasta que encuentre otra grieta; este proceso puede aumentar el coeficiente promedio de permeabilidad del revestimiento. Por esta razón se recomienda la escarificación y control de humedad después de compactar cada capa.

La desecación se refiere al secado del suelo y a la formación de grietas de tensión que conducen a caminos de flujo preferenciales a través del revestimiento. Es un problema potencialmente serio en climas áridos y tropicales, en particular en suelos con alto contenido de agua (≥ 40 %). Para minimizar la desecación se recomienda humedecer constantemente el material compactado, formar una capa superior de protección pasando un rodillo sobre cada capa compactada y escarificar el material para lograr una adecuada unión entre capas. Asimismo, se sugiere hacer terraplenes de prueba y emplear el contenido de agua, más que el peso unitario seco, como factor de control de calidad de la compactación. Por otra parte, se han encontrado fisuras en arcillas normalmente consolidadas con alto contenido de agua que no pueden haber sido causadas por secado o por descarga; también se ha observado un incremento en la fragilidad (friabilidad) en trozos de arcilla blanda que se han almacenado por mucho tiempo. Estos efectos pueden ser causados por sinéresis, que es la mutua atracción de partículas arcillosas para formar agregados estrechamente unidos con fisuras entre ellos; tal comportamiento se observa muchas veces en la gelatina debido al envejecimiento (Mitchell, 1993).

Los cambios de temperatura pueden causar flujo de aire y agua y, como consecuencia, cambios volumétricos dentro de la masa de suelo. Por tanto, en un suelo no saturado, se debe formular un flujo unidimensional que incorpore los gradientes de temperatura, así como el flujo de vapor de agua, ya que éste puede ser un factor significativo en condiciones no isotérmicas.

La construcción de un revestimiento altera el balance de humedad natural del suelo. Las capas de revestimientos de tierra y el material de cimentación también están sujetas a desecación, por lo que es necesario optimar el diseño relativo a la prevención de agrietamiento. Un gradiente de temperatura hacia el subsuelo puede causar que el material térreo pierda una gran proporción de su humedad en lugares donde al

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revestimiento basal subyazca una capa de grava para drenaje (August et al, 1997). Los revestimientos basales de rellenos y el subsuelo están sujetos a cargas térmicas a largo plazo, lo que causa el calentamiento del revestimiento entre 40 y 50°C. Tal calentamiento, bajo ciertas condiciones (en revestimientos compuestos con una geomembrana superior o en segmentos de revestimientos minerales simples sin acceso superior a lixiviados), puede causar desecación en la capa mineral. Los resultados de pruebas de laboratorio y con modelos numéricos de combinaciones de transporte de agua, vapor y calor, indican que el componente mineral del revestimiento compuesto está expuesto al riesgo de desecación si el revestimiento está sobre un material basal permeable. Ninguna capa de drenaje debe construirse directamente debajo del revestimiento mineral, a menos que dicha capa pueda mantenerse continuamente en estado saturado (Holzlöhner, 1997).

Tanto en los revestimientos minerales simples como en los compuestos, el autosellado es una propiedad muy importante. Dicha propiedad consiste en la capacidad propia de cerrar las fisuras causadas por influencias externas, manteniendo el efecto requerido de barrera del sistema de revestimiento a largo plazo. Esta propiedad se considera, junto con la de adsorción, la mayor ventaja de usar minerales arcillosos como material de revestimiento, ya que contribuyen a la reparación de deficiencias constructivas y posibles agrietamientos debidos al subsiguiente asentamiento del revestimiento. En cuanto a la selección del material, los resultados experimentales indican que los suelos arcillosos con expansión nula o ligera, como los caoliníticos o ilíticos, respectivamente, deben preferirse a los de mayor potencial de expansión, como los miembros altamente expansivos del grupo de la esmectita. Deben rechazarse los suelos con tendencia al colapso, como los limos o margas. En algunas pruebas, al usar soluciones salinas monovalentes y divalentes, las arcillas mostraron mejores propiedades de autosellado de lo esperado; la ilita resultó más ventajosa que el caolín a este respecto, además de que es menos susceptible a la desecación y se expande sólo moderadamente. Cabe aclarar que el mineral aislado ilita, como el que se utilizó en dichos experimentos, es excepcional y no se presenta en depósitos de arcilla naturales, en las cantidades y con el grado de pureza necesarios para la construcción de rellenos y revestimientos (Holzlöhner, 1997).

Numerosos casos estudiados en campo indican que los valores de conductividad hidráulica en suelos arcillosos compactados pueden ser varios órdenes de magnitud mayores que los valores medidos en laboratorio con el mismo suelo, particularmente si

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el control de calidad de la construcción es pobre. Como consecuencia de la relación entre los valores de conductividad hidráulica de laboratorio y de campo, algunas agencias reguladoras (EPA) establecen como requisito que los valores de laboratorio se confirmen en campo en un terraplén de prueba que se construye utilizando los mismos materiales y procedimientos de construcción que se emplearán en el revestimiento real (Shackelford y de Mello, 1994).

b) Pruebas de compatibilidad

La compatibilidad se refiere al efecto potencial en las propiedades del material por interacciones químicas entre el líquido permeante y el material poroso. Entre las pruebas para analizar la compatibilidad están los propios ensayes de permeabilidad; adicionalmente, en algunos casos, pueden usarse pruebas modificadas de límites de Atterberg y del hidrómetro (sedimentación), para proporcionar una indicación relativamente rápida de un problema potencial de compatibilidad (Shackelford y de Mello, 1994). Asimismo, el análisis de rayos X es adecuado para examinar los cambios estructurales en los minerales arcillosos después del contacto con especies químicas que afectan su estructura (Koerner et al, 1995).

Desde un punto de vista práctico, un incremento en la conductividad hidráulica puede considerarse significativo si el valor final (flujo establecido) excede el máximo valor de permeabilidad permitido. Una consideración adicional en la evaluación de la compatibilidad entre revestimientos de suelos y líquidos permeantes es, potencialmente, la de un efecto de primera exposición. Este efecto se refiere al del primer líquido al que es expuesto el suelo, ya sea por simple humedecimiento o por flujo. La conductividad hidráulica de un espécimen sometido directamente al líquido de prueba puede no resultar igual a la del mismo espécimen expuesto al agua antes que a la solución química. Esta tendencia es congruente con la expansión que resulta en una matriz del suelo densa en bentonitas expuestas inicialmente al agua, seguida por la floculación de la arcilla al interactuar después con una alta concentración de soluciones electrolíticas. Ya que es poco probable que el revestimiento arcilloso en el campo sea expuesto al flujo de agua antes que a las soluciones químicas, el efecto de primera exposición puede ser significativo en la práctica. Posiblemente, los procedimientos de prueba estándar son aceptables desde un punto de vista reglamentario, pero podrían ser extremadamente no conservadores de acuerdo con la situación en campo (Shackelford y Nelson, 1996).

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Los parámetros importantes respecto a sustancias químicas inorgánicas son: concentra-ción y tipo de solutos, pH y conductividad eléctrica de la solución, temperatura y tiempo de exposición. Las soluciones diluidas de compuestos inorgánicos pueden tener efectos significativos en la permeabilidad, como resultado de su influencia en la floculación y dispersión de partículas arcillosas (Evans, 1991; Mitchell, 1993). Incrementos significativos en la conductividad hidráulica pueden resultar de la floculación de las partículas arcillosas debido a interacciones con soluciones de electrolitos; altas concentraciones de sales pueden causar contracción de la matriz del suelo y agrietamiento de las arcillas con el consecuente aumento de permeabilidad.

De particular consideración son los sitios con soluciones básicas (elevado pH) o altas concentraciones de sales disueltas. Cuando se exponen a especies químicas agresivas, las arcillas de alta plasticidad con gran contenido de agua, como lodos bentoníticos y mezclas de suelo-bentonita, son más susceptibles a contracciones y agrietamientos que los suelos densamente compactados con bajo contenido de agua (Mitchell, 1994). Los esfuerzos efectivos refuerzan al suelo, lo que implica la estabilización de enlaces y fuerzas entre partículas y disminución del efecto de otros factores, como el contenido de agua y la constante dieléctrica del fluido. Resultados de pruebas de conductividad hidráulica con moderados esfuerzos efectivos indican que algunas cargas de cobertura o sobrecargas serían suficientes para restringir los cambios de estructura anticipados al diseñar revestimientos (Shakhtour y Daignault, 1996). La solución final adoptada para la impermeabilización de una laguna de cristalización consistió en un revestimiento arcilloso de 40 cm de espesor protegido mecánicamente contra la desecación mediante una capa de sal de 50 cm de espesor que se forma progresivamente en el fondo de los estanques. En este caso práctico, la efectividad de los revestimientos de arcilla compactada se confirmó para las arcillas plásticas que almacenan salmueras de alta concentración (Auvinet y Esquivel, 1986).

Además de la permeabilidad, otro parámetro importante para evaluar la conveniencia de utilizar cierta clase de suelos como material de revestimiento es la variación de la plasticidad de las muestras de suelo como resultado de la interacción con los líquidos permeantes, sobre todo en aquéllas que presentan relativamente altos índices de plasticidad. En dichos especímenes se han observado variaciones que dependen de las concentraciones de las soluciones y del tiempo de exposición de las muestras a las

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soluciones en cuestión. Si los cambios en las propiedades de plasticidad, compactación y contracción no son previstos, las consecuencias pueden ser negativas.

Se han realizado muchas investigaciones para estudiar el efecto de complejos iónicos de sales en las características físicas y de filtración de suelos salinos; éstas dependen de la cantidad y tipo de sales presentes en estado sólido y disueltas en el agua de poro, así como también de la capacidad de intercambio de bases y de los cationes intercambiados que determinan el grado de dispersión e hidratación de las partículas. La desalación puede afectar la plasticidad del suelo de diferentes maneras debido al complejo mecanismo por el cual las sales influyen en el contenido de agua característico; en muchos casos dicho contenido se incrementa. La lixiviación de las sales es acompañada de cambios en el complejo iónico de sales y, como consecuencia, de la dispersión y capacidad de retención de agua de la fracción fina del suelo. Como resultado final, estos factores influyen no solamente en la permeabilidad del suelo, sino en casi todas sus propiedades físicas (Petrukhin, 1993).

Generalmente, las propiedades plásticas de un suelo arcilloso serán muy diferentes dependiendo de cuál sea el catión de intercambio. Según la bibliografía, el índice de plasticidad es mayor para una bentonita sódica que para una cálcica (Grim, 1962). Asimismo, se dice que entre diversos suelos estudiados, aquéllos saturados de sodio presentan el índice de plasticidad más alto, en la mayoría de los casos (Baver et al, 1980). En estudios de estabilización de suelos se ha investigado el efecto que sobre los límites ejercen diversas sustancias adicionales, y se encontró que las que más los afectan son las de base sódica, que hacen aumentar los límites considerablemente, en la mayoría de los casos; sin embargo, la sal común (NaCl) produce con frecuencia disminución del límite líquido. Los cloruros también afectan la plasticidad de los suelos al reducir los límites plástico y líquido (Winterkorn y Pamukcu, 1991).

Es importante tomar en cuenta el efecto que tiene la temperatura en las pruebas de compatibilidad. Por ejemplo, en el caso de un sistema de almacenamiento de sales inorgánicas, como un estanque solar, las temperaturas que pueden alcanzarse son del orden de 80 a 90°C. Por otra parte, la solubilidad de la sal de acuerdo con la temperatura puede ser débil o fuerte. Si la solubilidad se incrementa fuertemente con la temperatura, entonces es posible llegar a tener un estanque de almacenamiento saturado (Almanza y Muñoz, 1994).

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Una de las características distintivas de las partículas coloidales es la presencia de una carga en su superficie, positiva en algunos y negativa en otros, la cual se adquiere por ionización directa de los grupos que están en la superficie de las partículas, o bien por adsorción selectiva de iones de la solución en la que están suspendidas las partículas. Alrededor de una partícula cargada negativamente hay una acumulación selectiva de iones positivos (capa de Stern) presentes en la solución por atracción electrostática entre el adsorbente y el adsorbato; la distribución de los iones es del tipo condensador. El espesor de la capa de Stern está fijado por el radio hidratado de los iones de carga opuesta (contraiones). De acuerdo con la teoría de Gouy y Chapman, parte de estos cationes tienden a formar una segunda capa que permanece fija a la partícula coloidal (capa de Gouy), donde la concentración de cationes disminuye con la distancia desde la superficie de carga negativa. Esta capa, de naturaleza algo difusa, forma junto con la capa superficial negativa lo que se conoce como la doble capa eléctrica o difusa. Fuera de ella, los iones se mueven libremente y constituyen una atmósfera iónica parecida a la que existe alrededor de los iones en solución. Lo anterior se aplica a su vez a una superficie cargada positivamente, la que entonces atrae iones negativos. El espesor de la doble capa estará dado por la distancia, medida a partir de la superficie cargada eléctricamente, donde la concentración de aniones y cationes se iguala a la de la solución libre. Debido a la carga de superficie, existe un potencial entre la partícula coloidal y la solución anterior. La parte de potencial que existe entre la capa difusa fija y la solución libre se conoce como potencial electrocinético o zeta, el cual desempeña un papel importante en las propiedades eléctricas de los sistemas coloidales, como la movilidad electroforética (Bornemisza, 1982; Crockford y Knight, 1983; Goldman et al, 1988).

El espesor de la doble capa eléctrica resulta de un balance entre la fuerza electrostática que atrae a la capa difusa hacia la superficie del mineral y las fuerzas osmóticas que tienden a difundir a los cationes lejos de la superficie del mineral. La fuerza de atracción electrostática depende de las propiedades del mineral (es decir, de su carga superficial), mientras que las fuerzas osmóticas dependen de las propiedades de la solución que lo rodea, incluidos los iones disueltos (Goldman et al, 1988). Tal y como es discutido por Evans (1991), la doble capa difusa es sensible a la variación de diversos parámetros, como la concentración del electrolito, constante dieléctrica, temperatura y pH del fluido, tamaño del ion hidratado y su valencia, y adsorción de aniones.

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El efecto de la temperatura en la interacción suelo-agua, que puede suponerse a partir de apropiadas consideraciones fisicoquímicas, fue estudiado en arcillas naturales en el intervalo de temperaturas entre 30 y 99°C por Baver y Winterkorn (1935), quienes dividieron el agua de interacción total (de expansión) correspondiente a altos contenidos de agua en: 1) agua de hidratación, cuya unión está asociada con un considerable calor de humedecimiento, y 2) osmótica, agua relativamente no restringida entre los cationes hidratados en lo que muchos llaman la doble capa difusa. Ambos tipos de agua están intrínsecamente relacionados con la constante dieléctrica. Ya que dicha constante dismi-nuye al aumentar la temperatura, y más rápidamente de lo que la energía cinética de los iones intercambiables se incrementa con la temperatura, tras una elevación de ésta en un sistema de suelo saturado, se puede esperar una disminución tanto del agua de hidratación como de la osmótica. Esto significa que para un contenido total de agua constante, un incremento de temperatura disminuye la porción que está unida o restringida e incrementa la porción que es libre, en tanto que también disminuye la viscosidad de la última. Este efecto de temperatura es completamente lineal en sistemas arcilla-agua relativamente puros dentro de un intervalo limitado de temperatura, pero se vuelve más complicado aun en estos sistemas cuando temperaturas altas pueden causar marcados efectos de dispersión o floculación en función del mineral de arcilla y tipo de ion de intercambio. La complejidad es aun mayor con la presencia de minerales no arcillosos de tamaños de limo y mayores. El fenómeno básico, no obstante, es una disminución del agua de interacción ante un aumento de temperatura. Dicha disminución normalmente causa un incremento del coeficiente de permeabilidad; sin embargo, la permeabilidad puede disminuir por un fuerte efecto de dispersión, especialmente si la arcilla está contenida dentro de los intersticios de un esqueleto granular grueso (Winterkorn y Fang, 1991).

La explicación de los cambios en las propiedades de los suelos por efecto de la temperatura está basada en diferentes mecanismos, entre los que se mencionan como probables la variación del espesor de la doble capa difusa de Gouy y Chapman, la modificación de la viscosidad del agua y los efectos acompañantes en los arreglos geométricos de las partículas de suelo. El incremento en la energía térmica produce una disminución de la resistencia de la unión entre partículas, pero al mismo tiempo hay una reducción de la relación de vacíos. Es posible que en ciertas muestras la disminución de la relación de vacíos compense la de resistencia de unión entre partículas. En el caso de un suelo con bajo coeficiente de permeabilidad se puede favorecer la acumulación de

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presiones de poro uniformes y no uniformes con altas temperaturas (> 40ºC) que no pueden disiparse fácilmente y, por tanto, resultan menores resistencias y densidades. Para verificar y sustentar resultados, es necesario extenderse más en estudios de densidades y otros factores, como la actividad, pH e iones adsorbidos, además de el tipo y cantidad del mineral de arcilla, para poder explicar el comportamiento de las arcillas (Laguros, 1969).

Según una interpretación mecanicista, se puede considerar que un suelo cohesivo está compuesto por plaquetas de arcilla, de varias formas y tamaños, empacadas de una manera que depende de su modo de depositarse (o preparación artificial) y de su ambiente. Las cargas externas son aplicadas al material a través del sistema en los puntos de contacto entre las partículas. De acuerdo con este concepto, la estructura de la arcilla se puede imaginar como una compleja armadura tridimensional, con los puntos de contacto como nudos o articulaciones. Las fuerzas en los contactos son producidas por las fuerzas de atracción de van der Waals, fuerzas de repulsión debidas a la interacción de las dobles capas eléctricas de las superficies de la arcilla, y una porción de las fuerzas externas. Si las dobles capas eléctricas se expanden y, en consecuencia las fuerzas repulsivas se incrementan, se puede esperar un reajuste de la estructura del suelo bajo las cargas aplicadas. En función de este modelo mecanicista de comportamiento de suelo y de las fuerzas entre partículas, la expansión de la doble capa eléctrica disminuye los esfuerzos efectivos, lo cual permite fallas al corte en los contactos entre partículas. La disminución de volumen (consolidación) es una manifestación de tales fallas (Plum y Esrig, 1969).

En arcillas activas, como la montmorilonita sódica, y a bajas presiones de consoli-dación, el contacto entre partículas es pequeño; consecuentemente, la expansión de la doble capa eléctrica por calentamiento podría causar un incremento de volumen, similar al que ocurre por lavado de sales. En el caso de arcillas menos activas los contactos entre partículas son más importantes. La expansión de la doble capa podría, en este caso, reducir los esfuerzos efectivos en los puntos de contacto y permitir que ocurran deformaciones por cortante y consolidación. El argumento anterior sugiere que, cuando un suelo cohesivo con un significativo número de contactos se somete a calentamiento, esto conduce a un incremento en la compresibilidad observada a bajas presiones en diversas pruebas reportadas. Asimismo, algunos autores encontraron experimentalmente que los límites líquido y plástico de los suelos decrecen al incrementarse la temperatura, y lo atribuyeron exclusivamente a la disminución de la viscosidad del agua; no obstante,

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las pruebas de límites son una medida de la resistencia al corte del suelo y, por tanto, los resultados se explican mejor con referencia al modelo anteriormente discutido (Plum y Esrig, 1969). Al respecto, la disminución del límite líquido e índice de plasticidad implicarían una reducción de la compresibilidad, como puede comprobarse al observar la variación de las propiedades físicas en la Carta de Plasticidad (Juárez y Rico, 1986). De acuerdo con lo anterior, factores como el tipo de arcilla, arreglo geométrico final de las partículas, remoldeo y adición de soluciones acuosas, así como cambios inducidos por la temperatura, son importantes para relacionar las variaciones de plasticidad, compresibilidad y permeabilidad.

Respecto a la prueba de sedimentación (hidrómetro) mencionada anteriormente, este tipo de ensaye, entre otros que también consideran las fuerzas de superficie de las partículas en suspensión y su interacción con la solución, pueden ser muy útiles para estimar la estabilidad coloidal en suelos arcillosos, lo que encuentra una aplicación importante al evaluar el riesgo por erosión interna; por ejemplo, en el caso particular de barreras arcillosas con infiltración vertical. La dispersión de arcillas en la parte inferior del revestimiento puede facilitar su posterior y progresiva migración ascendente por fuerzas de filtración, a través de conductos o huecos entre partículas, hasta encontrar salida dentro del almacenamiento (Sherard y Decker, 1977; Goldman et al, 1988). Cabe recordar que una correcta identificación y cuantificación de los componentes minerales cristalinos y amorfos puede ayudar en la predicción de la susceptibilidad de ciertos materiales a sufrir disolución química o precipitación al ser expuestos a ambientes de composición, pH y temperatura críticos, así como para tener una idea aproximada del grado de agregación de las partículas de suelo por la presencia de agentes cementantes (Cordero, 1997). Por ello, los métodos para determinar la composición del suelo, así como su potencial alteración, entre los que se menciona el análisis por difracción de rayos X a través de sus diversas técnicas, son un recurso más para examinar la compatibilidad.

4.2.3.2 Transporte de sales hacia el subsuelo

El principal objetivo de las medidas de impermeabilización es minimizar la migración de contaminantes. Esto está determinado por la impenetrabilidad y por la retardación de los contaminantes; sin embargo, no existe una valoración aceptada o principio de diseño para ello. En algunos estados de Alemania se usa la capacidad de intercambio catiónico

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(CIC) como parámetro característico, y se establece empíricamente un valor de 10 miliequivalentes (meq) (Holzlöhner y Meggyes, 1997).

Básicamente, existen dos mecanismos de transporte químico en arcillas compactadas: la advección, que es función del gradiente hidráulico, y la difusión, función a su vez del gradiente de concentración. Aunque el diseño tradicional de revestimientos de arcilla se ha basado en la suposición de transporte advectivo (Darciano), estudios más recientes indican que la difusión molecular tiende a ser un mecanismo dominante del transporte de contaminantes en suelos finos. En suelos de grano fino, donde los valores de conductividad hidráulica son muy pequeños, esto es, k menor de 1 x 10-9 m/s, el transporte químico puede controlarse por difusión. La importancia relativa de la advección y difusión en el transporte químico total para suelos de distintas conducti-vidades hidráulicas k son: k > 1 x 10-8 m/s: domina advección; 1 x 10-10 < k < 1 x 10-8 m/s: ambas son importantes; k < 1 x 10-10 m/s: domina difusión.

Mientras que el flujo advectivo se basa en la ley de Darcy (q = ki), el flujo por difusión sigue la ley de Fick, cuya ecuación está dada por JD = DiC, donde i e iC son los gradientes hidráulico y químico, q y JD las velocidades de flujo hidráulico y químico, k la conductividad hidráulica y D el coeficiente de difusión, que es el parámetro de control en el flujo químico.

Dos conclusiones importantes de lo significativo de la difusión son que: 1) la mejor barrera de confinamiento que puede construirse es una de control de difusión y 2) a menor permeabilidad, el análisis basado sólo en la conductividad hidráulica (advección pura) es menos conservador. Como resultado de evidencia de campo, así como de modelos analíticos, es necesaria una baja conductividad hidráulica para un reves-timiento de arcilla compactada en campo, pero no es suficiente para asegurar un adecuado confinamiento.

4.2.3.3 Aislamiento térmico

Cuando se determina la estabilidad del material en función de cambios en la temperatura se habla de sus propiedades térmicas. Una de las principales propiedades del suelo empleado como revestimiento en un estanque solar es su conductividad térmica, pues de ella dependerán las pérdidas de calor al subsuelo, lo que afecta en parte

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la eficiencia del estanque. A menores valores de conductividad térmica se minimizarán las pérdidas térmicas.

La transferencia de calor en los suelos ocurre a través de las partículas sólidas, del agua y aire de los poros del suelo. Como la conductividad térmica de los minerales del suelo es de aproximadamente 2.9 W / (m°C), en tanto que para el agua y aire es de 0.6 y 0.026 W/ (m°C), respectivamente, la transferencia de calor se hace principalmente a través de las partículas de suelo. De acuerdo con esto, a menor relación de vacíos mayor será el número y área de contactos entre partículas, y a mayor grado de saturación mayor la conductividad térmica. La conductividad térmica típica de un suelo proba-blemente está en el intervalo de 0.5 – 3 W / (m°C). Todos los minerales cristalinos en los suelos muestran una disminución en la conductividad térmica al incrementarse la temperatura. Por otra parte, las arenas cuarzosas tienen mayor conductividad térmica que las que tienen alto porcentaje de mica (Mitchell, 1993). En estudios anteriores (Almanza et al, 1989; Almanza y Lozano, 1990), con una caolinita y una bentonita se obtuvieron conductividades menores de 0.6 W / (m°C), después de que muestras compactadas de estas arcillas interactuaron con salmueras calientes de NaCl por varios meses.

4.2.4 Investigación experimental

En este trabajo se reportan las siguientes muestras probadas como revestimientos com-pactados: arcillas naturales con ilita y montmorilonita, haloisita, caolinita, atapulgita y zeolita mezclada con bentonita sódica. Bentonitas sódicas en polvo, naturales y tratadas con polímeros se probaron en ambas condiciones: como revestimiento compactado y como impermeabilizante geosintético de arcilla. Volclay CG-50 es una bentonita sódica granular no tratada, y Volclay CRC una bentonita sódica granular, especialmente selec-cionada, procesada y tratada; GEL 540-P es una arcilla atapulgita selecta. En estudios previos de permeabilidad conducidos en algunas arcillas y varias soluciones con sales alcalinas, como NaCl, LiCl y KCl, se encontró que la salmuera de KCl era el electrolito que producía los efectos más notables (Almanza, Castañeda y Silva, 1995; Silva y Almanza, 1998), por lo que esta última se seleccionó como principal líquido permeante.

En la tabla 4.2 se pueden apreciar las propiedades índice de las muestras seleccionadas para pruebas de permeabilidad; en la tabla 4.3 se señalan propiedades fisicoquímicas de las muestras escogidas para pruebas de límites de Atterberg modificadas, pruebas fisicoquímicas y análisis de difracción de rayos X.

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Existen diversas expresiones para indicar la concentración de una cierta disolución, como la molaridad, normalidad y porcentaje en peso o volumen. La fuerza iónica es una medida de la concentración molar total de iones, que enfatiza la contribución proporcional a la solución no ideal de las especies con carga mayor que uno. Para soluciones con fuerzas iónicas menores de 0.1 M, se puede suponer que los coeficientes de actividad de los iones en solución tienen un valor cercano a uno (soluciones ideales) (Domenico y Schwartz, 1990). Por ello, en soluciones diluidas es válido considerar solamente las concentraciones equivalentes para el análisis del efecto de las especies químicas disueltas, sin que exista un factor adicional que afecte su comportamiento, como sería el caso de ambientes salinos; asimismo, como se comentó anteriormente, la solubilidad de una sal varía con la temperatura. Debido a estas consideraciones, por facilidad de preparación y medición se eligió trabajar con concentraciones expresadas en porcentajes con respecto a la saturación. El máximo porcentaje por peso a 20°C para una solución acuosa de KCl es de 25 % (100 %, respecto a la saturación), concentración que expresada en términos de fuerza iónica es superior al límite inferior anteriormente mencionado. Como punto de comparación, la salinidad del agua de mar definida en términos del número de gramos de sales secas existentes en 1 kg de agua de mar varía de 33 a 37 g, con un promedio cercano a 35 g (35 000 ppm); para decirlo de otra manera, el agua de mar contiene alrededor de 3.5 % de sales disueltas (Brown et al, 1993).

TABLA 4.2 PROPIEDADES ÍNDICE DE LAS MUESTRAS PARA PERMEÁMETROS

Espécimen SUCS Mineral predominante LL (%)

LP (%)

IP (%)

Ss ωop (%)

Volclay CRC CH Montmorilonita 438 35 403 2.52 42 Volclay CG 50 CH Montmorilonita 548 41 507 2.56 45 Bentonita Na CH Montmorilonita 353 26 327 2.55 29

Zamora CH Haloisita-esmectita 77 37 40 2.68 31 Zeolita 80%/Bentonita Na 20% Zeolita-montmorilonita 97 32 65 2.40 35

Blanquizca CL Ilita 40 21 19 2.61 15 Café oscuro CL Ilita 46 20 26 2.70 19

Morelos ML Ilita 54 40 14 2.54 46 Haloisita MH Haloisita 78 66 12 2.69 70 Caolinita ML Caolinita 37 26 11 2.66 24

Atapulgita CH Paligorskita 380 105 275 2.35 98

ωop, contenido óptimo de agua; Ss, densidad de sólidos

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TABLA 4.3 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE LOS SUELOS PROBADOS

Suelos arcillosos Propiedad Referencia

BCa-1 Zamora Caolinita BCa-2 BNa

Fuente Dato del producto Durango Zamora, Mich Industrial Durango Durango

Color

Carta Munsell de colores del suelo

Blanco (10YR 8/1)

Gris muy oscuro

(2.5Y 4/0)

Café muy pálido

(10YR 8/2)

Rosáceo (5YR 8/2)

Blanco (10YR 8/2)

LL (%) ASTM D 4318 132 76.6 37 156.3 353 LP (%) ASTM D 4318 33 37.1 26 47.3 26 IP (%) 99 39.5 11 109 327 LC (%) ASTM D 427 14.3 12.7 26.3 19.3 9.8 Wopt(%) 34 31 24 52 29

Ss ASTM D 854 2.6 2.68 2.66 2.6 2.6 % < malla 200 ASTM D 422 97.5 92.5 99 100 100

% < 2 µ ASTM D 422 49 59 50 86 48 A 2.02 0.67 0.22 1.27 6.81

Clasificación ASTM D 2487 CH CH ML CH CH Principal mineral

arcilloso Rayos X Montmorilo-

nita Haloisitamont-

morilonita Caolinita Montmorilo-

nita Montmorilo-

nita Pc (%) 9.83 9.56 12.27 5.76 5.06

CaCO3 (%) 17.4 4.85 3.15 5.9 6.4 CICT (meq/100 g) 86 67 2.8 100 66 IAM (meq/100 g) (ASTM C-837) 52 36.5 1.7 68 44 A, actividad; IAM, índice de azul de metileno; Pc, pérdida por calcinación

4.2.4.1 Pruebas de compatibilidad

a) Permeabilidad

Las pruebas descritas fueron realizadas después de eliminar las partículas mayores que la malla Nº 40. Se diseñó y describió un permeámetro de acrílico transparente (Almanza y Castañeda, 1993), con el fin de obtener el coeficiente de permeabilidad por medio de una prueba de carga variable (fig 4.2). Para determinar el coeficiente de permeabilidad en dichas pruebas se aplicó la ley de Darcy. Este permeámetro permite aplicar gradientes hidráulicos hasta de 40, y cuenta con un área grande (214 cm2). Para controlar la temperatura se introduce una resistencia sumergible para acuario de 25 W, que puede alcanzar 50°C, y para aislar térmicamente al permeámetro se cubre con lana mineral. Previamente, los permeámetros se forran con papel aluminio y se colocan en un cuarto semioscuro para evitar el crecimiento de microrganismos. Para registrar las

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temperaturas se dispone de termómetros a partir de termopares con monitores digitales, y para medir el pH del efluente se emplea un potenciómetro eléctrico.

Las muestras fueron compactadas dentro del permeámetro, aplicando un esfuerzo correspondiente al de la prueba Proctor estándar, con un contenido de agua 3 % superior al óptimo; el espesor inicial fue de 5 cm, en general. El espesor de los impermea-bilizantes geosintéticos es de aproximadamente 3 mm antes de su hidratación; entre las dos capas de geosintéticos se encuentra el material sellador, una capa de bentonita en polvo, que se expande en contacto con el agua. Tanto las muestras compactadas como los geosintéticos se confinaron entre dos capas de arena. Inicialmente, el agua destilada pasa a través de las muestras para establecer como referencia el valor de permeabilidad en estado estable. El líquido permeante se cambia entonces a la salmuera. Las pruebas se continúan hasta que las lecturas de permeabilidad y las concentraciones del efluente son estables, y entonces se incrementan las concentraciones de manera progresiva.

Adicionalmente, se realizó un experimento de permeabilidad con una muestra compactada de arcilla de Zamora y una salmuera de KCl (40 %, respecto de la saturación) mezclada con un líquido colorante; es posible identificar esta arcilla como una montmorilonita-haloisita. Posteriormente, se realizaron pruebas con otras muestras, en las que también se incrementó la temperatura. El colorante fue utilizado como líquido trazador no reactivo con el fin de encontrar la distribución del flujo cuando ocurre un incremento de permeabilidad. El líquido colorante es una disolución de azul brillante, que pertenece a la familia de los trifenilmetanos, de fórmula C37H34N2Na2O9S3, en una dosis de 4 g/L. Se eligió debido a que es muy visible en el suelo, de débil toxicidad y baja adsorción sobre las partículas arcillosas (Daoud, 1996).

Se realizaron pruebas comparativas en un permeámetro de carga variable en una celda triaxial con contrapresión y presión confinante continua. Con este permeámetro es posible aplicar gradientes hidráulicos hasta de 20. El cambio de volumen está controlado por buretas graduadas a la entrada y salida de la celda triaxial. La muestra se coloca en una cámara de acrílico llena de agua que puede presurizarse para presionar la membrana flexible contra la muestra, previniendo el flujo a través de la pared. Para incrementar el grado de saturación de la muestra, el límite de la contrapresión es hasta de 0.6 MPa. Dado que el área de la muestra es grande (174 cm2), se tiene un pequeño efecto de escala y una mayor precisión (Auvinet y Esquivel, 1986). La muestra se preparó en un molde de compactación y después de ser extraída se probó en la celda

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triaxial. La muestra fue compactada con una humedad superior a la óptima con un espesor inicial de 5 cm, con un esfuerzo de compactación correspondiente a la prueba Proctor estándar. La muestra preparada para la prueba triaxial consiste en una columna cilíndrica de suelo compactado confinado lateralmente por una membrana flexible (de látex) y con discos porosos en sus extremos. Se hace pasar a través de la muestra suficiente líquido estándar (agua destilada) para establecer como referencia un valor de permeabilidad estable a temperatura ambiente, antes de que se introduzca el líquido permeante (salmuera de KCl).

Fig 4.2 Permeámetro de acrílico

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b) Plasticidad

Los materiales seleccionados fueron dos bentonitas cálcicas, así como una bentonita sódica activada, todas ellas muestras comerciales secadas al aire. Mediante la exposición de dos muestras comerciales de bentonita a un flujo con salmueras de NaCl en varias concentraciones, se buscó lograr un intercambio iónico para evaluar posterior-mente las variaciones del índice de plasticidad de estas arcillas. Con el fin de acelerar el proceso de intercambio iónico, se investigó la variación de la plasticidad de las tres muestras, usando técnicas de agitación directa con salmueras y posteriores diluciones mediante lavados con agua destilada. Las bentonitas fueron contaminadas con cloruro de sodio en distintas concentraciones mediante tratamiento directo (Silva et al, 2000).

c) Pruebas fisicoquímicas

Con objeto de conocer algunas de las propiedades fisicoquímicas más importantes desde el punto de vista de identificación, así como para determinar el grado de interacción de los suelos con ciertas sustancias, se procedió a realizar diversas pruebas de laboratorio siguiendo los procedimientos establecidos en análisis de suelos (Silva, 1991), tanto con las muestras en su estado original como después de interactuar con las salmueras empleadas en los permeámetros. La salinidad del suelo se midió inicialmente en extractos acuosos de pastas de saturación de suelo (Page, 1982), tanto en su estado original como después de ser procesada con diferentes concentraciones de salmuera durante una semana, de la manera previamente descrita para las pruebas de plasticidad. Parte de las muestras contaminadas fue lavada con agua destilada varias veces, remplazando repetidamente las soluciones. Una vez obtenidos los extractos de las muestras, se realizaron los análisis químicos en las soluciones filtradas para determinar la concentración de los solutos más abundantes de las muestras previamente tratadas, antes y después de ser lavadas. Con el fin de verificar directamente el efecto de un exceso de sales en el agua de poro sobre la plasticidad, se utilizaron parte de las mismas muestras molidas que se ocuparon para las pruebas de límites de plasticidad, tanto en su estado original como después de un primero y segundo lavados posteriores al tratamiento con salmueras. Para confirmar el efecto más drástico del potasio, se procedió a la determinación del sodio y potasio intercambiables en muestras de bentonita en estado original, así como después de interactuar en los permeámetros, o bien, tratadas directamente con salmueras de NaCl o KCl.

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d) Difracción de rayos X

Para complementar la información de las muestras aún no identificadas, se analizaron éstas por medio de difracción de rayos X. Además, algunas muestras con un contenido importante de montmorilonita se trataron previamente tanto con salmueras de cloruro de sodio como de potasio, y se obtuvierone los difractogramas correspondientes antes y después de que las muestras fueran lavadas del exceso de sales.

4.2.4.2 Resultados obtenidos y análisis

a) Permeabilidad

Las pruebas con salmueras de KCl parecen alcanzar un estado estable durante el tiempo registrado solamente en especímenes como la haloisita, caolinita, atapulgita y GCL con Volclay CRC. En general, el incremento de permeabilidad en estos especímenes fue menor que en los otros. Cuando la muestra compactada de Volclay CRC tuvo un flujo de KCl con una concentración mayor del 70 %, respecto a la saturación, los incrementos de permeabilidad fueron superiores a los tres órdenes de magnitud (de 1 x 10-9 a 1 x 10-5 cm/s). El experimento continuó durante dos semanas, bajo las mismas condiciones y con resultados similares. Finalmente, se utilizó de nuevo un flujo de agua y, de inmediato se obtuvieron permeabilidades menores. Para concentraciones iguales, el geotextil con Volclay CRC tuvo una permeabilidad menor que la respectiva muestra compactada.

Las muestras más sensibles al cambio de temperatura, empleando agua como líquido permeante son las que contienen ilita como mineral arcilloso predominante, y en menor grado la caolinita, donde se presentan incrementos de permeabilidad hasta de dos órdenes de magnitud, no explicables por el cambio de viscosidad. Como se pudo comprobar con ayuda del colorante, la razón es que el índice de expansión térmica de estos materiales es diferente al del acrílico del permeámetro, por lo que al incrementarse súbitamente la temperatura se presenta un flujo extraordinario entre la muestra y la pared de acrílico; esto se facilita debido a que las arcillas de estas muestras no se expanden. Este elevado flujo es transitorio y disminuye con el tiempo. En estos casos, los valores de pH del efluente son parecidos a los del agua, lo que significa que ésta no se filtró a través del suelo, sino que migró entre la pared del permeámetro y la muestra.

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Algunos especímenes no presentaron cambios en su permeabilidad al agua al incrementar la temperatura, pero sí los tuvieron al estar expuestos a la salmuera, tal es el caso de la haloisita y la zeolita con bentonita sódica; esto indica que el efecto de la solución electrolítica afecta la estructura de estas muestras al elevarse la temperatura. En general, la arcilla más estable en condiciones no isotérmicas y bajo altas concentraciones de sales fue la atapulgita (de 1 a 4.5 x 10-8 cm/s). Asimismo, se pudo observar un mejor comportamiento de los geotextiles con bentonitas tratadas, tanto a temperatura ambiente como al incrementarse ésta y utilizar salmueras. Es posible que los geotextiles limiten el efecto de contracción de la muestra, sobre todo al presentarse un aumento de temperatura.

La prueba del trazador mostró la existencia de caminos preferenciales en el espécimen. El líquido colorante se observó principalmente en algunas áreas específicas de la pared de la muestra. Sin embargo, también se encontraron conductos coloreados en varias secciones transversales en toda la profundidad de la muestra.

La foto correspondiente a una prueba con una caolinita tratada con salmuera de KCl al 80 % e incrementando la temperatura hasta 50°C (fig 4.3), revela dos franjas marcadas por el colorante a través de un corte transversal de la muestra, y a lo largo de todo su espesor. La prueba en la muestra de Zamora, con KCl al 40 % a temperatura ambiente (fig 4.4), exhibe la presencia del colorante en algunas zonas de la pared, así como en la sección transversal del espécimen a través de todo su espesor.

La tabla 4.4 muestra los resultados de pruebas de permeabilidad en el permeámetro de pared flexible; es decir, el espesor final del espécimen (tf), tiempo registrado para el valor de permeabilidad y tiempo total transcurrido de la prueba, concentración de entrada y salida de la salmuera (respecto a la saturación) y coeficiente de permeabilidad a temperatura ambiente. En una prueba de carga variable, realizada en una muestra de Zamora, con una presión confinante de 0.3 MPa y una contrapresión de 0.25 MPa, se mostró que la permeabilidad medida con la salmuera de KCl fue cerca de un orden de magnitud mayor que con el agua destilada. Se puede observar que la presión confinante disminuye el flujo lateral, respecto a una prueba en pared rígida, pero no impide el aumento de las filtraciones a través de la muestra.

214

Fig 4.3 Muestra de caolinita con salmuera de KCl y temperatura

Fig 4.4 Muestra de Zamora con salmuera de KCl

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TABLA 4.4 PRUEBA CON PERMEÁMETRO DE PARED FLEXIBLE

Espécimen (tf) Tiempo registrado (días)

Líquido de prueba Coeficiente de permeabilidad (cm/s)

Zamora (5 cm) 14 15

Agua KCl (40 %)

2.5 E-07 6.9 E-06

Es importante hacer notar que el ion monovalente K+causa la hinchazón en las arcillas del tipo de las montmorilonitas (Baver et al, 1980). Sin embargo, la solvatación puede ser una fuerza importante para altas concentraciones de electrolitos, como lo propone Sposito (1989).

b) Plasticidad

La fig 4.5 es un ejemplo de las gráficas obtenidas, correspondiente a una bentonita sódica, donde aparecen líneas de tendencia que unen puntos asignados de acuerdo con el tratamiento que recibió la muestra y su correspondiente contenido de agua (LL, IP y LP); en ellas se incluyen puntos correspondientes a tratamientos con distinta duración, antes y después de uno o varios ciclos de lavado, en tanto que se grafican puntos aislados que corresponden a muestras obtenidas de permeámetros. Con base en lo anterior, se graficaron en la carta de plasticidad varios puntos correspondientes a los valores de plasticidad determinados en muestras tratadas con distintas concentraciones y tiempos de exposición, así como los puntos correspondientes a las muestras sin ningún tratamiento (originales) como punto de referencia; en las figuras se indica cuándo los límites de plasticidad de la muestra se obtuvieron con o sin lavar el exceso de sales. Asimismo, en cada gráfica se ilustra la ecuación de línea de tendencia de los puntos obtenidos y el coeficiente de correlación del IP respecto del LL, así como la línea A de Casagrande; como ejemplo se muestra la fig 4.6, correspondiente a una bentonita cálcica.

En las gráficas generadas, la mayoría de los puntos correspondientes a muestras del mismo origen caen arriba de la línea A, excepto las muestras sin lavar, y tienen un comportamiento lineal que indica que en los valores de plasticidad domina la composición mineralógica. También se observa que, una vez eliminado el exceso de sales, con mayor tiempo de exposición se logra una mayor activación de las bentonitas.

216

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

TRATAMIENTO

CO

NTE

NID

O D

E A

GU

A, E

N P

OR

CEN

TAJE

LLIPLP

Tratamiento: A) OriginalB) 1 semana (sin lavar)C) 1 semana (1er. lavado)D) 1 semana (2º lavado)E) Del permeámetro

A B C D E

Fig 4.5 Bentonita sódica tratada con NaCl

IP = 0.9624LL - 31.497R2 = 0.9991

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400LL

IP

5%

5%

35%

35%

60%

60%

100%

Original

Línea ALavadas

Sin lavar

100

Fig 4.6 Bentonita cálcica tratada con varias concentraciones de NaCl

217

En el caso de altas concentraciones y mayores tiempos de exposición, el índice de plasticidad de las muestras después del primer ciclo de lavados es todavía menor que el correspondiente a la muestra original, lo cual se explica por la mayor exposición de la muestra a los contaminantes; esto es más notable en el caso de la bentonita sódica, la cual a su vez es una arcilla previamente tratada para su comercialización. El límite plástico aumenta ligeramente en muestras lavadas y sin lavar, respecto del valor de la muestra sin tratar, y este efecto es más notable al aumentar la concentración y tiempo de exposición. Resumiendo los resultados obtenidos, se observa lo siguiente: un comportamiento lineal (coeficientes de correlación cercanos a uno y una ecuación de la recta cuya pendiente es aproximadamente 1:1; una disminución del IP en muestras sin lavar y aumento del IP (activación) al lavar la muestra; en las muestras sin lavar se observa que a mayor concentración equivale un menor IP; en las muestras lavadas a mayor concentración y mayor tiempo de exposición, mayor es el IP.

Las muestras sin lavar son menos plásticas. La razón de esto se halla en el efecto floculante de las sales sódicas en exceso. Estas sales reprimen la ionización (espesor de la capa doble difusa) de los iones de sodio adsorbidos. Con esto disminuyen el potencial, la hidratación, el hinchamiento y la tendencia a la dispersión. El material coloidal se flocula; en cambio, en los suelos lavados la dilución ha sido la necesaria para lixiviar el exceso de sales, y los suelos se caracterizan por un complejo de intercambio catiónico saturado de sodio y una mayor plasticidad. Con un incremento en el porcentaje de sales en el agua de poro, la plasticidad de las partículas de suelo disminuye. La variación en dicha plasticidad al lavar las muestras se observa en un intervalo relativamente grande y depende de la concentración de las sales y del tiempo de exposición. Se observa que los cambios registrados bajo condiciones de baja salinidad pueden caer dentro de los límites de error en la determinación de las propiedades relevantes. Si existe lixiviación de sales las condiciones de plasticidad e impermeabilidad se vuelven favorables, mientras que si no existe eliminación del exceso de sales la situación se vuelve crítica por el riesgo de contracciones y agrietamientos indeseables del material utilizado como revestimiento.

c) Pruebas fisicoquímicas

Mediante un análisis químico del agua intersticial de los suelos en estudio, se pudo comprobar la influencia que tiene en el espesor de la doble capa difusa la presencia de

218

un exceso de iones en el agua de poro; el efecto del anión (Cl) es más notorio que el del catión (Na) (tabla 4.5). Por tanto, se sugiere probar con otras sales, además del NaCl, y considerar el efecto tanto del catión como del anión.

Los resultados de intercambio de cationes en suelos que contienen montmorilonita, y que fueron tratados con soluciones de NaCl y KCl, tanto en permeámetros como en pruebas directas de agitación con y sin lavado del exceso de sales, indican que al expo-ner las muestras a la acción del cloruro de potasio la cantidad de este catión aumenta en los sitios de intercambio, mientras que el valor correspondiente del sodio disminuye de manera considerable, lo que parece indicar un desplazamiento entre dichos cationes. Asimismo, se aprecia cómo el intercambio con el sodio produce un aumento de los sitios de intercambio ocupados por este catión, en tanto que los valores de potasio intercambiable prácticamente no varían respecto al valor original (tablas 4.6 a 4.9).

TABLA 4.5 Na+ Y Cl- SOLUBLES (BCa-2 Y BNa)

Muestra Na+ (meq/l)

Cl- (meq/l)

IP (%)

BCa-2 Original 2.50 2.0 109

NaCl 100 %

(Lavada) 3.78 10.2 171.1

NaCl 100 %

(2° Lavado) 0.72 2.3 322

BNa Natural 0.98 1.7 327

NaCl 100 %

(Lavada) 6.89 13.5 233.2

NaCl 100 %

(2º Lavado) 0.63 2.0 407.8

TABLA 4.6 Na+ Y K+INTERCAMBIABLES

Muestra Na+ (meq/100g)

K+ (meq/100g)

BNa original 42.61 1.73 Geotextil-BNa (permeámetro) 4.98 25.12

219



K+ (meq/100g)

BCa –1 19.4 2.0 BCa-1 + KCl 40 %

(permeámetro) 7.65 47.42

BCa-1 + KCl 40 % lavada 6.52 39.02



K+ (meq/100g)

BCa-1 original 19.4 2.0

BCa-1 + NaCl 35 % (permeámetro)

59 1.55

BCa-1 + NaCl 35 % 63.5 1.72

BCa-1 + NaCl 80 % lavada 137.37 1.77

BCa-1 + NaCl 100 % lavada 149 1.77


Muestra Na+ [meq/100g)

K+ (meq/100g)

Zamora original 6.53 1.50

Zamora + KCl 35 % (permeámetro)

1.25 54.60

d) Difracción de rayos X

En las muestras tratadas con salmuera es evidente el hecho de la desaparición de fases predominantes de montmorilonita o su desplazamiento a menores concentraciones. Después de eliminar el exceso de sales existe una tendencia a regresar a los valores originales, principalmente a bajas concentraciones (tabla 4.10). Por un lado, se aprecia que la técnica de difracción de rayos X es útil para identificar la composición del suelo, pero por otro, se manifiesta la importancia de un análisis fisicoquímico previo a la interpretación definitiva, que nos indique si existen especies químicas que puedan afectar los resultados.

220

TABLA 4.10 ANÁLISIS POR MEDIO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Muestra Especies mineralógicas identificadas

Bentonita cálcica original Montmorilonita, Sist ortorrómbico (P) Cuarzo, Sist, Hexagonal (A)

Bentonita cálcica, NaCl 35 % sin lavar

Cuarzo, Sist Hexagonal (P) Esmectita (A)

Halita, NaCl, Sist cúbico (A) Cristobalita, Sist tetragonal (m)

Bentonita cálcica, NaCl 35 % lavada

Montmorilonita, Sist ortorrómbico (P) Cuarzo, Sist hexagonal (A)

Calcita (A) Cristobalita, Sist tetragonal (A)

Bentonita cálcica, NaCl 85 % sin lavar

Cuarzo, Sist hexagonal (P) Halita, NaCl, Sist cúbico (A)

Montmorilonita, Sist ortorrómbico (A) Cristobalita, Sist tetragonal (A)

Bentonita cálcica, NaCl 85 % lavada Cuarzo, Sist hexagonal (P)

Montmorilonita, Sist ortorrómbico. (A); Calcita (A) Cristobalita, Sist tetragonal (A)

Bentonita cálcica, KCl 40 % sin lavar Silvita, KCl, Sist cúbico (P) Cuarzo, Sist hexagonal (A)

Montmorilonita, Sist ortorrómbico (s)

Bentonita cálcica, KCl 40% lavada Montmorilonita, Sist ortorrómbico (P)

Cuarzo, Sist hexagonal (A) Cristobalita (m)

Bentonita sódica original Montmorilonita, Sist monoclínico (P) Cuarzo, Sist hexagonal (A)

Bentonita sódica, KCl 40 % sin lavar

Cuarzo, Sist hexagonal (P) Silvita, KCl, Sist cúbico (P)

Montmorilonita, Sist ortorrómbico (b) Halita ?

Bentonita sódica, KCl 40 % lavada Montmorilonita, Sist Ortorrómbico (P)

Cuarzo, Sist Hexagonal (P) Interestratificados (s)

Zamora original Albita (plagioclasa), Sist triclínico (P)

Cuarzo, Sist hexagonal (A) Haloisita (s), esmectita (s)

Zamora, KCl 40 % sin lavar Silvita, KCl, Sist cúbico (m)

Haloisita 7 Å, Sist monoclínico (s) Cristobalita, Sist tetragonal (s)

Zamora, KCl 40 % lavada

Albita, (plagioclasa), Sist triclínico (s) Haloista, Sist monoclínico (s)

Esmectita (s) Cuarzo (s)

P, fase predominante; A, fase abundante; m, fase en concentración media; b, fase en concentración baja; s, fase en concentración muy baja. El signo de interrogación (?) se emplea cuando no se registra un número suficiente de picos para asegurar la presencia de la especie mineralógica en cuestión.

221

4.2.5 Conclusiones y recomendaciones

El diseño y construcción de un estanque solar es una obra que requiere del análisis de diversos factores físicos y químicos. Se deben conocer las diversas alternativas de impermeabilización existentes para hacer un correcto análisis comparativo de las distintas opciones. Los revestimientos con suelos compactados siempre son una propuesta que hay que considerar, debido a las ventajas que ofrecen respecto a barreras sintéticas, especialmente para las condiciones nacionales actuales. No obstante, para su adecuada aplicación es necesario conocer los aspectos fisicoquímicos de las arcillas y proponer investigaciones que solucionen los inconvenientes que presentan en ciertas situaciones.

Respecto a las pruebas experimentales, los valores de permeabilidad en los suelos expuestos a distintas concentraciones de salmuera fueron en general mayores que los medidos con agua destilada. Sin embargo, el incremento de permeabilidad con el flujo de salmuera es parcialmente reversible cuando el agua se reutiliza como solución de prueba.

La razón de los aumentos de permeabilidad al agua al incrementar la temperatura en muestras con ilita (mica hidratada) es que el índice de expansión térmica de estos minerales, de naturaleza aislante, es diferente al del acrílico del permeámetro, por lo que al incrementarse súbitamente la temperatura se presenta un flujo extraordinario entre la muestra y la pared de acrílico; este flujo alto es transitorio y disminuye con el tiempo. No obstante, algunas muestras que no presentaron aumentos de permeabilidad significativos al incrementar la temperatura del agua sí los tuvieron al trabajar con salmueras en altas concentraciones. La muestra menos susceptible fue la atapulgita, en tanto que en las muestras con contenido significativo de esmectita, la expansión inicial por contacto con agua es suprimida por la interacción con las salmueras, sobreviniendo un incremento de flujo lateral al aumentar la temperatura, tal y como se pudo constatar con las pruebas al emplear líquidos trazadores. El flujo no disminuye sino hasta intercambiar la salmuera por agua.

En muestras con ilita, el aumento de permeabilidad con salmueras e incrementos de temperatura fue hasta de tres órdenes de magnitud, debido a problemas de flujo lateral, mientras que en aquéllas con montmorilonita los valores fueron aún mayores. Entre los geotextiles, la muestra de bentonita sódica tratada con polímeros presentó el mejor comportamiento impermeable. La atapulgita fue la muestra más resistente a cambios de permeabilidad, y la caolinita también exhibió una susceptibilidad limitada ante la

222

salmuera. La menor permeabilidad obtenida en la prueba de pared flexible con una muestra de suelo nativo con montmorilonita se atribuye a la presión de confinamiento; en este tipo de permeámetro se debe considerar que puede presentarse con el tiempo un problema potencial de corrosión e incrustación de sales en los conductos de pequeño diámetro. Por otra parte, el sistema de pared rígida es adecuado para determinar si pueden existir interacciones entre la arcilla y las especies químicas. La prueba con el líquido colorante trazador confirma la existencia de caminos preferenciales en la muestra completa.

Generalmente, las muestras que tuvieron mejor comportamiento como impermea-bilizante al interactuar con salmueras y sufrir cambios térmicos fueron las que están compuestas por minerales del tipo de la atapulgita, caolinita, haloisita e ilita, es decir, de bajo potencial de expansión. Por el contrario, los especímenes compuestos por esmectitas, e incluso mezclas de éstos con zeolitas, presentan susceptibilidad al flujo con salmueras, debido a que su capacidad de expansión es anulada por altas salinidades, y presenta caminos preferenciales a través de todo su espesor y área transversal, como consecuencia de fenómenos explicados en parte por la acción de fuerzas electrostáticas. Las bentonitas tratadas (Volclay CRC) presentan menores incrementos de permea-bilidad, sobre todo trabajando junto con los geotextiles; es posible que estos últimos contribuyan a reducir el efecto de contracción provocado por las salmueras.

Los efectos de sales alcalinas en la permeabilidad de las arcillas pueden ser causados por la contracción de la montmorilonita expandida como resultado de la adsorción específica del ion K+. Esto ocurre debido a la electronegatividad y tamaño iónico de este catión. La contracción y el agrietamiento pueden ser causados por la reducción en el espesor de la doble capa difusa, dado el incremento en la concentración electrolítica como resultado de los iones (aniones y cationes) disueltos en el agua. Altas concentra-ciones de sales reprimen la ionización (espesor de la capa doble difusa) de los iones adsorbidos. Con esto disminuyen el potencial, la hidratación, el hinchamiento y la tendencia a la dispersión, y el material coloidal se flocula. El ion monovalente K+ causa la hinchazón en las arcillas del tipo de las montmorilonitas; por otra parte, la solvatación puede ser una fuerza importante para altas concentraciones de electrolitos.

Por lo anterior, es recomendable no utilizar como material de revestimiento suelos arcillosos con contenido apreciable de esmectita, por ejemplo bentonitas, que puedan ser expuestos a salmueras alcalinas (NaCl o KCl) en concentraciones mayores del 1 %, respecto a la saturación, especialmente durante periodos prolongados y con incrementos

223

de temperatura. Si se utilizan, estos materiales pueden fallar como impermeabilizantes, ya que al variar sus propiedades de plasticidad son susceptibles de sufrir contracciones y agrietamientos.

La expansión inicial de arcillas que contienen esmectita expuestas al agua y que permiten una matriz del suelo densa e impermeable es seguida por la floculación de la arcilla sometida a una alta concentración de soluciones electrolíticas. Dado que es poco probable que el revestimiento arcilloso en el campo sea expuesto al flujo de agua antes de ser sometido a las soluciones químicas, el efecto de la primera exposición desde un punto de vista práctico puede ser significativo. La variación de la permeabilidad que se presenta en muestras de laboratorio tratadas primero con agua puede ser más drástica en las condiciones de exposición en campo.

En relación con los cambios de la plasticidad, los datos obtenidos en esta experimen-tación sistemática realizada con muestras de bentonitas tratadas con distintas concentra-ciones de salmueras, quedan señalados en varias gráficas por líneas con una tendencia general similar. Esto comprueba que la plasticidad de muestras con la misma composi-ción mineralógica varía de acuerdo con el tipo de intercambio catiónico y el contenido de sales en el agua de poro, mientras que las características de la fracción coloidal permanecen esencialmente inalteradas. Asimismo, se comprobó, mediante un análisis químico del agua intersticial de los suelos en estudio, la influencia que tiene en el espesor de la doble capa difusa la presencia de un exceso de iones en el agua de poro; el efecto del anión (Cl-) fue tanto o más notorio que el del catión (Na+). Por ello, se sugiere probar con otras sales, además del NaCl, y considerar el efecto tanto del catión como del anión.

En las pruebas de intercambio de bases en muestras que contienen esmectita, se observó una tendencia de mayor aumento en las posiciones de intercambio al interactuar con salmueras de KCl. Los resultados de las pruebas fisicoquímicas indican que, al exponer las muestras a la acción del sodio, la cantidad de este catión aumenta en los sitios de intercambio, mientras que el valor correspondiente del potasio no presenta una varia-ción significativa. El efecto del cloruro de potasio es aun más notorio; es decir, en la medida que aumentan los sitios de intercambio de potasio, el valor correspondiente del sodio disminuye considerablemente, lo que indica un desplazamiento entre dichos cationes.

Al observar los resultados del análisis de los difractogramas correspondientes a las muestras tratadas con salmueras (KCl o NaCl), es interesante advertir que en el

224

espécimen tratado, antes de eliminarse el exceso de sales, la montmorilonita deja de ser la especie mineral con fase predominante, y es desplazada a otra fase de menor concentración, o bien su presencia se oculta. Este efecto es más evidente cuando el tratamiento se hace con KCl. Al lavar la muestra, la fase de la montmorilonita se observa nuevamente en los difractogramas. Por lo anterior, es importante correlacionar las pruebas fisicoquímicas con los métodos de identificación antes de llegar a interpretaciones aisladas.

Puede decirse como conclusión, que los cambios mencionados en las propiedades del suelo que ocurren debido al efecto de las sales solubles y a su lavado del suelo deben tomarse en consideración al evaluar las propiedades estructurales de suelos salinos y predecir los cambios que pueden ocurrir con el tiempo.

Para correlacionar los cambios de permeabilidad y plasticidad que se presentan en suelos arcillosos al interaccionar con salmueras en distintas concentraciones y tiempos de exposición, así como con gradientes térmicos, se sugiere continuar con el análisis comparativo por medio de pruebas fisicoquímicas y técnicas de análisis de composición de las muestras más representativas.

Esta investigación ha permitido realizar aplicaciones adicionales, como estudios sobre tratamientos químicos para mejorar el comportamiento de suelos arcillosos empleados como barreras impermeables, así como sobre dispersión de arcillas en problemas de tubificación de presas de tierra.

4.3 Movimientos oscilatorios en la capa no convectiva de un estanque solar

4.3.1 Antecedentes

La capa no convectiva de un estanque solar es una capa intermedia con un gradiente salino, de forma que su densidad aumenta con la profundidad, cuyo espesor varía generalmente entre 1 y 1.5 m, y funciona como aislante térmico. Este tema ha sido discutido con detalle por Almanza y Muñoz (1994).

Debido al gradiente salino se forma uno térmico, de manera que la temperatura aumenta con la profundidad, y es cercana a la del ambiente en la región próxima a la superficie del estanque. Esta capa no convectiva evita el movimiento del fluido, de manera que aísla la capa inferior de 1 a 2 m de espesor, la cual sí es convectiva, y donde la tempera-

225

tura puede alcanzar los 100°C, por lo que actúa como almacén térmico y captador solar (Zangrando y Bryant, 1978; Tabor y Weinberger, 1981; Nielsen, 1980).

El gradiente salino debe permanecer lo suficientemente grande para contrarrestar el efecto de la fuerza de flotación con el fin de mantener el régimen no convectivo de la capa en dicho estanque. Uno de los principales problemas en estanques solares es la erosión del gradiente y, por tanto, la aparición de capas convectivas no deseadas en la zona no convectiva, lo que llevaría finalmente a un colapso del estanque.

El llamado sistema convectivo doblemente difusivo, conocido también como el problema de Bérnard de dos componentes, se ha estudiado con gran interés en mecánica de fluidos (Schechter et al, 1974; Turner, 1973). Dicho sistema muestra movimientos muy diferentes a los conocidos convencionalmente, es decir, a los correspondientes a fluidos simples estratificados. En estos sistemas existen inestabilidades, que pueden presentarse aun cuando la distribución de densidad sea estáticamente estable. Diversos trabajos se han realizado para entender y predecir el comportamiento físico de sistemas con parámetros que varían fuertemente, como temperatura y salinidad, por ejemplo en un estanque solar con un gradiente salino estabilizado (Zangrando, 1979).

Gran cantidad de publicaciones relacionadas con problemas que involucran transferen-cia de calor están asociadas con el calentamiento de estanques no convectivos, así como de lagos naturales estratificados; sin embargo, poca atención se ha dado a los criterios de la alteración de la capa no convectiva en la presencia de gradientes térmicos, flujo de irradiancia solar y perturbaciones mecánicas. Los estanques solares no convectivos están continuamente expuestos al medio ambiente y son influidos por vientos, cambios en el flujo de irradiancia solar, extracción de energía de la capa inferior del estanque, etc.

Hull et al (1981) efectuó algunas simulaciones numéricas de inestabilidades en la capa no convectiva de estanques solares. En dichas simulaciones el periodo de oscilaciones varía en un intervalo de 1 a 50 s y el decaimiento es exponencial, con una vida media de décimas de segundo. Se sugiere que el mecanismo físico que produce tales oscilaciones es del tipo de perturbaciones que se propagan al azar en dicho estanque.

Por lo que respecta al colapso de estanques solares, Schladow e Imberger (1987) proponen considerar al efecto del calentamiento de las paredes donde se encuentra contenido el estanque como principal factor de la inestabilidad que conduce a la erosión

226

de éste, considerando que tal efecto influye en la capa convectiva. Sin embargo, Domínguez-Lerma (1988) rebate lo anterior, afirmando que la inestabilidad en el interior de la zona de gradientes es oscilatoria, mas en su análisis no formula cuál es la causa del colapso en estanques solares.

Los experimentos reportados en este documento están relacionados con las oscilaciones en la capa no convectiva, las cuales pueden explicar lo que sucede con los problemas de alteración de esta zona.

4.3.2 Oscilaciones

La comparación del número de Rayleigh salino (véase notación, al final del capítulo)

Rs =TK

Sν

∆3gd β (4.1)

con el número convencional de Rayleigh:

R =TK

Sgdνα∆3

(4.2)

permite predecir posibles modos de convección, los cuales han sido estudiados por Schechter et al (1974), Turner (1973), Veronis (1968) y Baines y Gill (1969), definiendo los siguientes parámetros:

T∂∂

−=ρ

ρα 1 (4.3)

y

iS∂

∂=

ρρ

β 1 (4.4)

En los modelos estudiados por estos autores, existen tres diferentes modos probables de convección para un líquido sujeto a un gradiente térmico desestabilizador, que inicialmente es no convectivo debido a los efectos de la concentración de un soluto con gradiente estabilizante:

I. Movimiento de convección que ocurre espontáneamente (inestable) II. Movimiento oscilatorio (inestable) III. Ambos gradientes estabilizados

227

Fig 4.7 Diferentes regímenes convectivos relacionados con los números de Rayleigh térmicos y salinos (Baines y Gill, 1969)

En una revisión más completa de la convección de un líquido que es calentado desde abajo, se mencionan, por ejemplo, los fenómenos conocidos como convecciones de Rayleigh-Bénard, Bénard-Marangoni, inestabilidades oscilatorias, flujos Taylor-Coyette, etc, los cuales se pueden encontrar en Platten y Legros (1984), Cross y Hohenberg (1993) y Getling (1998).

En la fig 4.7 se muestran diferentes regímenes relacionados con los números de Rayleigh térmicos y salinos. En el cuadrante superior derecho está la región de interés cuando el comportamiento de un estanque solar se modela en estado estacionario. Si el interés está en el modo oscilatorio, entonces el modelo debe estar en la región denominada oscilaciones. Esta región es donde tienen lugar los movimientos oscilatorios, que ocurren cuando el gradiente de temperatura es desestabilizador mientras que el gradiente salino es estabilizador.

Es bien conocido el principio del intercambio de estabilidades en el problema de Bénard (Chandrasekhar, 1961). Sin embargo, esto ya no es válido cuando una segunda fuerza estabilizadora actúa sobre dicho sistema; por ejemplo, un efecto de rotación, campo

228

magnético o un gradiente de soluto estabilizador (Veronis, 1968; Baines y Gill, 1969; Chandrasekhar, 1961; Nield, 1967; Shirtcliff, 1969); entonces las inestabilidades pueden aparecer como oscilaciones. La principal razón para el flujo es la debida al gradiente de concentración.

Al formarse un gradiente de temperatura en una solución, comienza entonces el flujo de un soluto difusivo (efecto Soret) y, si este sistema llega a un equilibrio mecánico, resultará un gradiente del soluto. En el caso de estanque solares, la sal fluirá de las regiones calientes que se encuentran en la parte inferior del estanque a las zonas más frías que se localizan en la superficie superior de dicho estanque. La magnitud del gradiente así establecido depende del coeficiente de Soret tσ (de Groot y Mazur, 1962):

tσ =DD' (4.5)

El coeficiente de Soret fue medido por Caldwell (1973) para una solución de NaCl al 2.85 %, en peso, y T < 50ºC. Algunos estudios experimentales y teóricos de la convección Rayleigh-Bénard (Schechter et al, 1974; Caldwell, 1970; Platten y Chavepeyer, 1973), han mostrado que la diferencia de temperatura a través del fluido no siempre es una función creciente del flujo de calor aplicado. Bajo ciertas circunstancias, por ejemplo, las condiciones de frontera, variaciones en las propiedades del fluido con la temperatura, gradientes de concentración o variación con el tiempo del flujo de calor, pueden permi-tir que la diferencia de temperatura ∆T disminuya a pesar de que el flujo de calor aumente dentro de un intervalo limitado de dicho flujo, como se ha observado en las gráficas de Schmidt-Milverton (Schechter et al, 1974; Platten y Chavepeyer, 1973). La diferencia de temperatura ∆T puede ser evaluada en múltiplos y el estado del sistema puede depen-der de su historia. En estos casos, el movimiento por convección se inicia con un movimiento oscilatorio, el cual puede ser descrito dentro del modo inestable (oscilatorio).

Algunas estimaciones numéricas del periodo de oscilaciones para los valores adimen-sionales de los números (Prandtl, Schmidt, etc), compatibles con experimentos en líquidos, han sido obtenidas para las oscilaciones en laboratorio con una celda de Bénard (Platten y Chavepeyer, 1973). El orden de magnitud de este periodo es de 1 min; este periodo fue calculado a partir de

( )[ ] 2/1

2

1/3

4

SSK

dtT

s+−π

= (4.6)

229

donde

21' SS

DDS

αβ

= (4.7)

de manera que esta expresión relaciona el cambio de densidad debido a la difusión térmica con aquélla que resulta de cambios de temperatura y de composición constante, donde S1 y S2 son concentraciones en porcentaje con respecto a la saturación de las dos componentes del promedio de la mezcla binaria.

Para el caso de un líquido puro S = 0, lo que implica que ts →∞ y ninguna oscilación es posible. Las oscilaciones son posibles en el intervalo –1< S < 0 (Platten y Chavepeyer, 1973). Cuando S = -1, la contribución de difusión térmica al gradiente de densidad es igual, pero en dirección opuesta a la contribución del gradiente de temperatura. Cuando S < -1, el gradiente de densidad se convierte en estable. En las referencias (Schechter et al, 1974; Caldwell, 1970; Platten y Chavepeyer, 1973) se discuten los experimentos realizados con una mezcla de agua-isopropanol, o una solución de agua de mar, en una celda de Bénard en la que el calentamiento se aplica en la frontera inferior, y se muestra que cuando el flujo de calor es pequeño, correspondiente a una cantidad pequeña ∆T, entonces el calor que se transfiere a través de la capa del fluido es por medio de conducción, de manera que se obtiene una curva lineal, en la cual la pendiente se relaciona con la conductividad térmica. Si se sigue elevando el flujo de calor, esto da lugar a un aumento en el gradiente de temperatura, hasta que se alcanza un máximo. Una vez logrado esto, se forman corrientes de convección oscilatoria y, además, se observa una pequeña región con pendiente negativa. Aparentemente, las oscilaciones se calman con un poco más de calor, permitiendo que se observe una curva reme-morizante, como la que se obtiene con fluidos puros. En esta parte la curva es otra vez lineal, pero presenta una pendiente diferente debido a la contribución de convección del flujo de calor. Es interesante notar que, si se intenta retroceder a través de esta curva por medio de una disminución lenta del flujo de calor, se observa que existe una histéresis, y se obtiene una curva diferente hasta que la banda de conducción se intercepta otra vez, pero ya sin cruzar la región oscilatoria. Estas oscilaciones en la región negativa de la pendiente pueden saturarse cuando se establece un modo estacionario de amplitud finita (Platten y Chavepeyer, 1973). Los mecanismos hidromecánicos operativos en la región de pendiente negativa todavía no están claramente definidos ni entendidos.

230

Fig 4.8 Perfil del estanque solar de NaCl

4.3.3 Investigación experimental

Se colocó un termopar cobre-constantán en el centro del estanque solar, con el fin de localizar si ocurrían dichas oscilaciones. Una vez observado dicho fenómeno con variaciones en temperatura de alrededor de 0.25ºC, se utilizó un termómetro diferencial (termopar cobre-constantán-cobre) y la señal se amplificó. En la fig 4.8 se muestra el perfil del estanque solar de NaCl existente en la Universidad de Nuevo México; en esta figura se grafica temperatura contra profundidad. Las mediciones de oscilaciones se llevaron a cabo en las cinco regiones no convectivas (a, b, c, d y e).

La distancia entre las dos uniones del termómetro diferencial fue de 8 cm, con el fin de tener una unión en la región no convectiva y la otra en la región convectiva (temperatura constante), ya que durante las mediciones de dichas oscilaciones la zona convectiva resultó mayor de 8 cm. Adicionalmente, un termopar cobre-constantán fue colocado al mismo nivel dentro del estanque, muy semejante al de tipo cobre-constantán-cobre, con objeto de localizar el gradiente térmico en la región dentro del estanque.

Como se planteó en la sección anterior, si algún flujo de calor se suministra al sistema las oscilaciones estarían en la región no convectiva; esto se observó en el estanque bajo diferentes condiciones. Con el propósito de asegurar que las oscilaciones medidas se debieran a fenómenos térmicos y no de origen mecánico, se realizaron observaciones durante 24 horas, desde el 23 de marzo hasta el 30 de abril, en 1982.

231

Se dan los siguientes argumentos para confirmar el origen térmico de las oscilaciones:

a) En días de calma o poco viento y días completamente soleados, las oscilaciones siempre empezaron muy temprano, entre las 7 y 8 a m, aumentaron su amplitud durante el día, y alcanzaron un máximo en la tarde, alrededor de las 3 p m Posteriormente, empezaron a disminuir las amplitudes hasta alrededor de las 10 p m, y llegaron a ser prácticamente nulas después de esta hora. Las oscilaciones observadas durante las primeras horas de la noche, aunque de baja amplitud, existen debido a que algo de calor se suministra por las regiones más profundas del estanque. La fig 4.9 muestra las oscilaciones típicas observadas en la región a; en esta figura, la señal del termómetro diferencial se retrasa alrededor de 330 s respecto al termopar cobre-constantán, debido a que la constante del tiempo de los dispositivos electrónicos que se usaron era de ese orden. El periodo de las oscilaciones observadas en las diferentes regiones no convectivas de la fig 4.8 está en el intervalo de 90 a 130 s y su amplitud aumenta de 0 a 1.2ºC. En la tabla 4.11, se muestran los valores de la amplitud durante un día soleado y con plena quietud de viento.

b) En días claros, soleados y prácticamente sin viento, la región donde se colocaron los termómetros, sombreados con una manta oscura de aproximadamente 2 m2, y alrededor del medio día cuando las oscilaciones fueron suficientemente grandes, se observó que éstas se redujeron cuando la fuente de potencia (irradiancia solar) disminuyó. La amplitud bajó de 0.8 a 0.4ºC; esto se muestra en la fig 4.10

c) En días nublados con nubes no muy densas la amplitud queda prácticamente cons-tante alrededor de 4 horas (de las 11:00 a las 15:00 h) aunque la irradiancia global estuvo fluctuando con un promedio de 784 W/m2; la amplitud de las oscilaciones quedó constante durante este periodo con un valor de alrededor de 0.8ºC.

d) Durante una mañana soleada la amplitud empezó a incrementarse desde muy temprano (entre las 7 y 8 a m), pero al medio día empezó la nubosidad causando que la irradiancia disminuyera de alrededor de 931 a 428 W/m2, en cerca de 10 min; dicha amplitud disminuyó de 0.8 a 0.5ºC en el mismo periodo, aproximadamente.

232

Fig 4.9 Oscilaciones en la región a, en un día soleado y en calma

TABLA 4.11 CAMBIO DE LA AMPLITUD DE LAS OSCILACIONES CON EL TIEMPO DURANTE UN DÍA SOLEADO Y CASI EN COMPLETA CALMA (MARZO 31, 1982)

Tiempo, en h ∆T, en ºC Periodo de oscilaciones, en s

7:30 0.3 116

8:30 0.5 116 9:30 0.5 129

10:30 0.5 129 11:30 0.5 120 12:30 0.7 133 13:30 0.9 124 14:30 1.0 124 15:30 1.2 129 16:30 1.0 129 17:30 0.6 139 18:30 0.3 113 19:30 0.1 120

233

d) Con vientos del orden de 30 km/h a lo largo del día, la amplitud de la temperatura

fluctuó en la zona de gradiente alrededor de 4ºC sin un periodo bien definido,

disminuyendo dicha amplitud con la profundidad. Se considera que las fluctua-

ciones inducidas por el viento aparecen en forma diferente a las oscilaciones

periódicas observadas en días sin viento.

e) El periodo de las oscilaciones térmicas (~100 s) parece ser mucho mayor del que se

puede atribuir a oscilaciones mecánicas de gran escala en el estanque. Por ejemplo,

la oscilación mecánica de mayor periodo en el estanque surgiría de una longitud de

onda larga, de movimiento tipo zangoloteo. Esta clase de movimiento en el

estanque solar de la Universidad de Nuevo México puede estimarse, aproxima-

damente, como un segmento rígido de una esfera que sufre un movimiento

armónico simple en el campo gravitacional de la Tierra, como se muestra en la

fig 4.11. Para las dimensiones mostradas en el esquema, la solución sería

gRt π2≈ (4.8)

donde R = 12.5 m

De manera que t ≈ 7 s. Se esperaría que otros modos tuvieran periodos más cortos.

f) Si se inducen artificialmente oscilaciones mecánicas a lo largo del día, el periodo

de las oscilaciones térmicas depende del periodo del movimiento del agua, mientras

que si el movimiento mecánico se interrumpe, aparecen las oscilaciones de

periodos largos que se observan cuando el estanque está en calma.

g) En la tabla 4.12 se muestran las características de ondas superficiales a diferentes

profundidades (Lamb, 1945). Esto significa que el periodo de ondas que se

pudieran atribuir a oscilaciones mecánicas de gran escala dentro del estanque, entre

la superficie y una profundidad de 1.5 m, sería del orden de algunos segundos,

mucho menor que los periodos observados.

234

Fig 4.10 Oscilaciones, con y sin sombra sobre los termopares, bajo diferentes condiciones

Fig 4.11 Dimensiones del estanque solar de la Universidad de Nuevo México

235

TABLA 4.12 ONDAS SUPERFICIALES A DIFERENTES PROFUNDIDADES

Profundidad del agua, en metros

Longitud de onda, en metros

0.305 3.05 30.5

Periodo de onda, en segundos

0.305 0.442 1.873 17.645 3.05 0.442 1.398 5.923

Durante las últimas mediciones, la capa convectiva superior fue de 1.47 m de espesor, de manera que sólo la región a permaneció en el estanque (véase la tabla 4.13). Durante abril 28, un día soleado y de quietud, se realizó el último experimento con el termopar diferencial, con las uniones separadas 22 cm. La unión en la región más baja se presentó a una profundidad de 1.59 m, en la capa no convectiva a, mientras que la unión superior se produjo en la capa convectiva; se observaron oscilaciones con un periodo de alrededor de 400 s, con amplitudes de 0.4ºC, que persistieron de las 12:00 a las 20:00 h. Se publicó un resumen de estos experimentos hechos por Almanza y Bryant (1983).

TABLA 4.13 CAMBIO DEL TAMAÑO (m) DE LAS REGIONES EN EL ESTANQUE SOLAR, DESDE EL 29 DE MARZO HASTA EL 28 DE ABRIL

Región/día 29 1 5 8 10 13 19 20 28

marzo abril

a 1.14 1.16 1.16 1.11 1.09 1.10 1.06 1.09 1.03

Ca 0.24 0.29 0.36 0.38 0.44 0.41 0.31 0 0

b 0.13 0.13 0.03 0.04 0.03 0.07 0.06 0 0

Cb 0.15 0.15 0.19 0.20 0.21 0.17 0 0 0

c 0.08 0.04 0.05 0.05 0.03 0.04 0 0 0

Cc 0.17 0.17 0.19 0.15 0.09 0 0 0 0

d 0.08 0.04 0.03 0.03 0.02 0 0 0 0

Cd 0.20 0.20 0.05 0 0 0 0 0 0

e 0.11 0.06 0.03 0 0 0 0 0 0

Ce 0.19 0.26 0.38 0.49 0.56 0.71 1.01 1.41 1.47

236

4.3.4 Conclusiones y sugerencias

Como la teoría lo predice, realmente se observan oscilaciones en el problema de Bénard de dos componentes. El orden de magnitud del periodo de oscilación no cambia con el término dT/dz, pero sí con la profundidad. Estas oscilaciones deben inducirse por difusión térmica, ya que nunca aparecen en fluidos puros como lo muestra Platten y Chavepeyer (1973). Como ya se ha discutido, si se hubieran realizado en una región de pendiente positiva cerca de la región de la oscilación (gráfica de Schmidt-Milverton), y si el calor suministrado estuviera disminuyendo de manera que condujera a la región de conducción, no aparecerían oscilaciones. Esto significa que el fenómeno observado está siempre en la región de pendiente negativa, y nunca va a la región de convección más conducción (pendiente positiva). La amplitud de las oscilaciones aumenta con el viento y con el flujo de irradiancia global durante el día; sin embargo, durante la noche este fenómeno no existe sin viento, y la capa no convectiva trabaja como en un estado estacionario. Se observó que si en la noche existe viento, entonces las oscilaciones aparecen otra vez, pero sin un periodo bien definido y con una amplitud más pequeña (0.5ºC).

El fenómeno de erosión se observó en la capa superior convectiva (región e), ya que ésta se redujo en tamaño durante las mediciones en sólo pocos días (de 11 a 3 cm), y la capa convectiva (región c) aumentó su tamaño de 19 a 38 cm, en alguna forma debido a este tipo de oscilaciones, ya que son mayores en esta región, en ocasiones hasta de 4ºC de amplitud. La tabla 4.13 muestra cómo las diferentes capas convectivas y no convectivas están cambiando sus tamaños en un periodo de 20 días, con el incremento diario de irradiancia solar y con vientos hasta de 30 km/h. Ya que durante el periodo de estos experimentos la capa no convectiva a casi no fue alterada o erosionada, se puede concluir que está recibiendo baja irradiancia solar y que los efectos de los vientos son mínimos, de manera que tales efectos ya no son tan importantes a estas profundidades. Sería interesante realizar estudios experimentales para analizar cuál podría ser el tamaño óptimo de la capa convectiva superior, con el fin de reducir estos fenómenos, princi-palmente el de la erosión y así un colapso del estanque solar.

La idea de publicar este documento en forma detallada es que, hasta la fecha (febrero de 2001), no se ha explicado con un modelo teórico las oscilaciones aquí descritas. Este tema está abierto y se espera que en el futuro esto se pueda lograr, ya que ayudaría a entender mejor la erosión en estanques solares, así como a lograr un estanque solar

237

estable. Se sugiere que, experimentalmente, lo anterior podría lograrse mediante un sistema automatizado que permita monitorear la salinidad a diferentes profundidades de la capa no convectiva, de manera que si ésta cambia, entonces se proceda a inyectar salmuera con mayor o menor salinidad, dependiendo de lo que se detecte con el monitoreo.

NOTACIÓN

d capa de fluido horizontal con espesor d D coeficiente de difusión D’ coeficiente de difusión térmica g aceleración de la gravedad KT difusividad térmica R número de Rayleigh Rs número de Rayleigh salino S concentración (salinidad) ∆S cambio en la concentración ts periodo de las oscilaciones T temperatura ∆T diferencia de temperatura a través de una capa del fluido z coordenada en el eje vertical ρ densidad del fluido ν viscosidad dinámica

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243

5. PLANTAS TERMOSOLARES: GENERACIÓN DIRECTA DE VAPOR CON CONCENTRADORES DE CANAL PARABÓLICO

Vicente Flores Álvaro Lentz

Gustavo Jiménez Rafael Almanza

5.1 Introducción

La generación de energía eléctrica por medios termosolares es similar a la generación por combustibles fósiles, la diferencia reside en la forma de obtener el vapor. En los sistemas termosolares la obtención de altas temperaturas se logra mediante la concentración de irradiancia solar directa. En México, como en otras partes del mundo donde el consumo de energía es considerable, se emplean diferentes fuentes de energía convencional y, en menor medida, energías no convencionales o renovables. El uso de estas últimas es una opción promisoria y cuenta con numerosas ventajas desde el punto de vista ambiental, además de la diversificación en el abastecimiento de energía como estrategia para no depender tanto de las fluctuaciones del mercado en el precio de los combustibles.

La búsqueda de oportunidades y la necesidad hacen a nuestro país candidato para la instalación de plantas termosolares de canal parabólico. México tiene una demanda creciente de energía eléctrica, excelente irradiancia solar en regiones donde existe gas natural y líneas de transmisión que facilitan su instalación.

En el Instituto de Ingeniería (IIUNAM), se ha adquirido experiencia en la generación de vapor desde 1976, utilizando concentradores solares tipo canal parabólico (Almanza y Muñoz, 1994). En 1981 se terminó la construcción de una planta termosolar que operó con aceite, y a partir de 1994 se iniciaron los trabajos de acondicionamiento de dicha planta para la generación directa de vapor.

245

Con base en lo anterior, en este capítulo se mostrarán aspectos fundamentales del proceso de generación directa de vapor en plantas termosolares. En la primera sección, se estudia el proceso de ebullición del agua incluyendo cada uno de sus estados, se analiza la ebullición de un líquido en reposo y la ebullición en flujo; así como los efectos que causa la formación de flujos bifásicos durante la ebullición. Se describen los patrones de flujo en dos fases en tuberías horizontales y las condiciones bajo las cuales tienen su origen, tomando en cuenta flujos másicos, velocidades de cada fase y diámetro de tubería. Al final, se presentan resultados de la experiencia de trabajar en generación directa de vapor experimentando con la deformación de los receptores de acero, cuando a través de ellos se presenta un flujo bifásico estratificado, siendo éste uno de los problemas más serios en el proceso de generación directa de vapor.

En la siguiente sección, se estudia la factibilidad técnica de utilizar un receptor de pared compuesta Cu-Fe, con objeto de eliminar la deflexión de los receptores provocada por los gradientes térmicos generados en la pared durante la formación repentina del flujo bifásico estratificado. Se analiza de manera teórica la distribución de temperaturas en la pared de receptores de acero y de cobre, así como la relación al variar los espesores de la pared de cobre con respecto a la de acero en el receptor bimetálico. Se describe la construcción del receptor bimetálico y se presentan los resultados de pruebas experimentales, analizando su comportamiento en la deformación mecánica transitoria y las temperaturas en la pared del mismo. Estos resultados se consideran satisfactorios para que el receptor Cu-Fe sea recomendable para la generación directa de vapor.

En la tercera sección, se evalúa el comportamiento de una planta termosolar de baja potencia durante la generación de electricidad, para lo cual se determina su eficiencia global térmica como sistema, así como la eficiencia para cada uno de sus componentes. Para este análisis se considera la planta solar del Instituto de Ingeniería, con capacidad de 2.24 kWe. La experiencia obtenida al operar la planta termosolar fue la base para conocer a fondo las inestabilidades presentes durante la generación de electricidad, puesto que éstas se presentan en los tubos receptores del sistema de concentración.

Por último, se incluye una sección para dar a conocer los sistemas solares de alta potencia para la generación de electricidad que emplean concentradores de canal parabólico. Estas plantas son conocidas como SEGS por sus siglas en inglés (Solar Energy Generating Systems). Se hace una reseña histórica y la descripción del funcio-namiento, que opera con aceites térmicos o sintéticos como fluidos de transferencia de

246

calor y, en un futuro, como sistemas de generación directa de vapor. Además, se analiza la importancia y conveniencia de adaptar campos de concentradores de canal parabólico dentro de las plantas de generación de energía eléctrica de ciclo combinado.

Debido a que cada sección de este capítulo trata temas independientes, al final de cada una se presentan conclusiones particulares y, finalmente, las conclusiones generales.

5.2 Generación directa de vapor (GDV)

5.2.1 Antecedentes

La generación de vapor mediante la irradiancia solar puede llevarse a cabo utilizando concentradores de canal parabólico, los cuales se han empleado de diversas formas para tal propósito. Los sistemas diseñados para generar vapor usando concentradores cilíndrico parabólicos son los sistemas de circuito dual, de conversión instantánea y de generación directa.

En el sistema de circuito dual, en la actualidad el más ampliamente empleado, un fluido de transferencia de calor se hace circular a una razón constante a través del campo de colectores. El fluido es calentado al circular por los concentradores y posteriormente pasa a un sistema de intercambio de calor. En este sistema, el fluido caliente, que generalmente es un aceite sintético con una temperatura de hasta 400ºC, suministra el calor necesario para convertir el agua en vapor saturado o sobrecalentado a la temperatura y presión requeridos. Conforme el vapor se produce, el sistema de intercambio de calor se alimenta con agua para mantener una generación continua de vapor, mientras que el fluido de transferencia de calor se recircula a los concentradores. El sistema de circuito dual tiene la ventaja de que se le puede adaptar un sistema secundario con quema de combustible fósil, que puede ser una caldera, o bien un calentador para el fluido de transferencia de calor, para compensar las fluctuaciones de la irradiancia solar incidente. Otra ventaja es que ésta es una tecnología altamente desarrollada, de la que tiene experiencia en su operación. Sin embargo, este sistema tiene como desventaja que la temperatura de operación está restringida aproximadamente a 400ºC, de manera que la temperatura del vapor está limitada alrededor de los 370°C (Trieb, 1995), además de que incluye la dificultad de contener el fluido de transferencia de calor. Por otra parte, en este sistema las mejoras adicionales y la reducción de costos se encuentran limitadas, no solamente por el intervalo de temperatura del aceite térmico, sino también por todos los componentes necesarios para

247

el circuito de aceite y por el consumo de energía de los sistemas secundarios durante su operación.

En el sistema de conversión instantánea de vapor, los concentradores solares se alimentan con agua presurizada que se calienta a una temperatura entre 180 y 200ºC. Para evitar la ebullición del agua dentro del tubo absorbedor o en las tuberías del campo de colectores, el agua es mantenida a presión por medio de una bomba de circulación. Después de pasar por los concentradores, el agua es conducida a un tanque de evaporación instantánea donde, debido al cambio de presión, una parte de ella se convierte en vapor. La conversión del agua en vapor puede realizarse con diferentes métodos. Uno de ellos es hacer pasar el agua presurizada, que ha sido calentada en los concentradores, a través de una válvula de estrangulación y, posteriormente, al tanque de conversión instantánea. La caída de presión sufrida por el agua caliente, durante su paso a través de la válvula, provoca que una parte de ella se convierta en vapor. Esta conversión es un proceso donde se utiliza el calor sensible del agua, para transformarla en una mezcla bifásica de agua y vapor saturados a las condiciones que prevalecen en el tanque de conversión. Otra forma de generar el vapor es emplear una cámara instantánea dentro del tanque de conversión. Esta cámara, que básicamente es un separador centrífugo, cuenta con un aro de refuerzo de placa perforada, el cual asegura velocidades bajas de salida y una agitación mínima en el tanque. De esta manera, cuando el agua a alta presión y temperatura entra en la cámara, se convierte instantáneamente en vapor a la temperatura y presión de diseño. En ambos métodos, el vapor se separa en el tanque de conversión instantánea y es alimentado a un sistema de distribución de vapor, mientras que el líquido saturado se recircula a través del campo de concentradores. Para mantener el nivel necesario de líquido, el agua de alimentación del tanque se mezcla con el líquido saturado y es alimentada a la succión de la bomba del lazo de colectores.

La calidad del vapor obtenido por medio de los sistemas de conversión instantánea generalmente es menor del 10 % (Thomas, 1996). Este sistema de generación de vapor tiene la desventaja del alto consumo de potencia de la bomba de alimentación de los concentradores, debido a la gran caída de presión que se tiene durante el proceso. Otro inconveniente es que el vapor producido eficientemente es relativamente poco. Sin embargo, sus ventajas consisten en que se aprovechan las excelentes propiedades de transferencia de calor del agua en comparación con las de los aceites térmicos utilizados en los sistemas de circuito dual, el relativamente bajo costo del sistema al no requerirse

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un intercambiador de calor, que evita los problemas de estabilidad de flujo que se pueden presentar en un sistema de generación directa de vapor y que los controles empleados son relativamente simples.

El sistema de generación directa es, en teoría, la forma más sencilla de producir vapor. En el concepto directo o in situ, se alimenta agua a presión en los concentradores de canal parabólico y se convierte en vapor mientras circula a través del tubo absorbedor; de esta manera se tiene un flujo de dos fases (líquido-gas) a través del concentrador. El sistema de generación directa de vapor representa un sistema con gran potencial para incrementar la eficiencia y disminuir los costos de instalación de los sistemas solares de generación de vapor (Müller et al, 1993), ya que no utiliza el aceite térmico ni el sistema de intercambio de calor empleado en los sistemas de circuito dual, aparte de contar con la capacidad de producir mayor cantidad de vapor que un sistema de conversión instantánea. Otra ventaja del sistema de generación directa es que su desempeño térmico no depende, como en los sistemas anteriores, de la interacción entre los colectores solares y el sistema de intercambio de calor o el tanque de conversión instantánea. Este sistema, sin embargo, requiere que la tubería completa del campo solar opere en el rango de presión del vapor vivo, además de que el flujo bifásico puede ser más difícil de manejar y controlar.

A diferencia de los sistemas de circuito dual y de conversión instantánea, los sistemas de generación directa de vapor no se han puesto en uso, debido a que se encuentran todavía como trabajo experimental de laboratorio.

5.2.2 Ebullición

Cuando un líquido cambia de fase y se convierte en vapor, el proceso se llama evaporación si se presenta en la superficie libre del líquido, mientras que si la conversión ocurre dentro de la masa de éste, comúnmente de manera vigorosa, el proceso se llama ebullición. La situación más común donde se presenta la ebullición ocurre cuando una superficie sólida se encuentra en contacto con un líquido y su temperatura se eleva por arriba de la temperatura de saturación de éste. En dicho caso, existen dos situaciones generales bajo las cuales la ebullición puede ocurrir: la ebullición de un líquido en reposo y la ebullición en flujo. Estas situaciones se describen a continuación.

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5.2.2.1 Ebullición de un líquido en reposo

La ebullición de un líquido en reposo es la situación más simple para el cambio de fase. El cambio de líquido a gas se presenta en una superficie que se calienta y se encuentra sumergida en un líquido en reposo, sin tomar en cuenta el movimiento causado por las corrientes que se generan por la convección libre y la agitación debida al crecimiento y colapso de burbujas.

Cuando el líquido se encuentra a su temperatura de saturación, el proceso se llama ebullición saturada, mientras que si el líquido se encuentra a una temperatura menor, se llama ebullición local o subenfriada. En este último caso, la ebullición está limitada a una capa que se ubica en la vecindad inmediata de la superficie de calentamiento.

En la ebullición de un líquido en reposo se pueden presentar diferentes etapas, las cuales se pueden observar en la curva de ebullición mostrada en la fig 5.1 (Bejan, 1995). Esta curva se obtuvo al graficar el flujo de calor con respecto a la diferencia entre la temperatura de una superficie de calentamiento cilíndrica y horizontal Tp, y la temperatura de saturación del líquido que lo circunda Tsat; dicha diferencia se conoce como exceso de temperatura. La gráfica corresponde a un experimento en el que inicialmente se tiene un líquido a la temperatura de saturación, donde la temperatura de la superficie de calentamiento se incrementa monótonamente y se mide el flujo de calor resultante. El perfil de la curva permite distinguir los diferentes regímenes de ebullición en un líquido en reposo. La relación no monótona, entre el flujo de calor y la temperatura de exceso, se debe a las diversas formas que el vapor generado toma en la vecindad de la superficie de calentamiento. El líquido utilizado para obtener esta gráfica fue agua a presión atmosférica.

El primer aspecto de la curva es que a diferencias pequeñas de temperatura no existe formación de burbujas, por lo que el líquido cercano a la superficie de calentamiento se sobrecalienta y sube en forma de corrientes a la superficie libre del líquido. De esta manera, la transferencia de calor es mediante convección natural, y puede presentarse evaporación en la superficie libre del líquido. En la mayor parte de los casos, la superficie de calentamiento debe exceder la temperatura de saturación del líquido por una cantidad perceptible para que la ebullición comience, y este exceso de temperatura dependerá de la presión y el tipo de fluido que se tenga (Parker, 1969).

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Fig. 5.1 Regímenes de ebullición de agua en reposo a presión atmosférica (Bejan, 1995)

Con diferencias de temperatura más altas, se forman pequeñas burbujas de vapor en algunos puntos favorables sobre la superficie de calentamiento; estos puntos se llaman sitios de nucleación. Usualmente los sitios de nucleación son cavidades ocupadas por gas o vapor, un punto diminuto y puntiagudo, una impureza o una frontera entre cristales en la superficie de calentamiento. Debido a que nucleación es el nombre con que se conoce al proceso que da origen a una burbuja, el término ebullición nucleada se utiliza para identificar a este primer régimen de ebullición, a partir de que las burbujas de vapor se forman en los sitios discretos de nucleación. En la parte baja de la curva de ebullición nucleada, el proceso consiste en la formación de burbujas aisladas que crecen hasta que la inercia y/o las fuerzas de flotabilidad vencen las fuerzas de superficie que mantienen a la burbuja en la superficie calentada, haciendo que ésta se libere y suba en el líquido hasta alcanzar la superficie libre. Si el líquido está abajo de la temperatura de saturación, suficiente calor puede transferirse de la burbuja de vapor al líquido más frío conforme la burbuja sube, de manera que ésta se hace más pequeña y puede conden-sarse completamente y colapsar, antes de llegar a la superficie libre del líquido o bien, en el caso de un líquido altamente subenfriado, la burbuja puede colapsarse sin separarse de la superficie de calentamiento. En esta situación de ebullición subenfriada, poco o nada del vapor alcanza la superficie libre del líquido.

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Al aumentar la temperatura de la superficie, el flujo de calor y la frecuencia de formación de burbujas se incrementan, al igual que los sitios de nucleación; de esta manera las burbujas aisladas forman columnas de burbujas de vapor, las cuales, al seguir aumentando la temperatura, interactúan y forman glóbulos y columnas continuas de vapor. Durante el régimen de ebullición nucleada se presenta un incremento brusco en la inclinación de la curva de ebullición, causado por el gran aumento en el coeficiente de transferencia de calor, lo que provoca que el flujo de calor aumente rápidamente con solamente un pequeño incremento adicional en la temperatura de la superficie.

Conforme continúa aumentando la temperatura, la formación de más y más vapor, en la vecindad de la superficie tiene el efecto de aislar gradualmente a ésta del líquido, de tal forma que se produce una disminución en la inclinación de la curva de ebullición nucleada. Por tanto, se llega al punto en el que se presenta el flujo máximo de calor, también llamado flujo crítico de calor. Para el agua, este flujo crítico de calor es del orden de 106 W/m2, mientras que el exceso de temperatura es de 30ºC (Bejan, 1995).

En el punto de flujo de calor máximo se inicia el siguiente régimen de ebullición, que es el más peculiar y se conoce como ebullición de transición. A partir de este punto, la diferencia de temperatura provoca que se produzca vapor a una razón más grande que con la que podría ser removida por la formación de burbujas durante la fase de contacto del líquido con la superficie, de manera que se forma una película de vapor que cubre parcialmente a la superficie de calentamiento. Sin embargo, debido a que esta misma diferencia de temperatura no es lo suficientemente grande para producir vapor en la razón requerida y mantener una película estable, la película de vapor se colapsa por momentos. Por tanto, el líquido toca intermitentemente la superficie de calentamiento y es separado de la superficie por la película de vapor, que a intervalos es remplazada por la ebullición nucleada. Puesto que la conductividad térmica del vapor es mucho menor que la del líquido, el coeficiente de transferencia de calor decrece conforme se incre-menta la cantidad de vapor, lo que lleva a una disminución del flujo de calor conforme el exceso de temperatura sigue aumentando. Al incrementarse la diferencia de temperatura en la región de transición, porciones cada vez más grandes de la superficie son cubiertas por la película de vapor, hasta que el exceso de temperatura se vuelve lo suficientemente grande para mantener una película estable que cubre completamente la superficie de calentamiento. La razón de generación de vapor iguala exactamente la

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razón con la que el vapor deja la película en forma de burbujas, de manera que la película se presenta uniformemente. En el punto en que la película de vapor comienza a ser estable se crea una resistencia muy alta para la transferencia de calor entre la super-ficie de calentamiento y el líquido, por lo que se llega al punto conocido como flujo mínimo de calor. Para agua a 1 atmósfera, el flujo mínimo de calor está en el intervalo de 104 a 105 W/m2 y ocurre a un exceso de temperatura de 100 a 200°C (Bejan, 1995).

La región de ebullición de transición es una región compleja, donde partes de la superficie están en el régimen de ebullición nucleada, unas en el tipo de glóbulos y columnas y otras en el régimen de ebullición de película, que es el régimen siguiente en la curva de ebullición.

En el régimen de ebullición de película se consigue una condición de equilibrio, donde la transferencia de calor a la fase líquida, a través de la capa de vapor, es igual al flujo de calor en la superficie de calentamiento. Existe una producción neta de vapor y se desprenden glóbulos de la capa. La película de vapor cubre completamente la superficie de calentamiento y el flujo de calor reanuda su incremento monótono con el exceso de temperatura. Sin embargo, con un aumento grande en el exceso de temperatura, solamente se obtiene un pequeño incremento en el flujo de calor, lo que implica que se tenga una diferencia de temperatura grande y variante. Por consiguiente, para una temperatura fija del fluido, la temperatura de la superficie de calentamiento puede ser muy alta, llegando incluso a la temperatura de fusión del material. A las elevadas temperaturas que se pueden encontrar en este último régimen, el efecto de la radiación térmica directa a través de la película contribuye cada vez más en la razón de transferencia global de calor, de la superficie de calentamiento al líquido, conforme el exceso de temperatura aumenta.

La curva de ebullición mostrada en la fig 5.1 corresponde al experimento en el que se controla el exceso de temperatura. Por tanto, la curva puede ser obtenida en ambas direcciones, es decir, aumentando o disminuyendo el exceso de temperatura.

Otra alternativa para obtener la curva de ebullición es controlando el flujo de calor, de manera que la variable dependiente, en este caso, sea la diferencia de temperatura. En dicho experimento, sin embargo, el perfil de la curva dependerá de si el flujo de calor se incrementa o disminuye. Cuando el flujo de calor se aumenta a partir de un nivel

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suficientemente bajo, se pueden obtener inicialmente, el régimen de convección natural y las diversas formas del régimen de ebullición nucleada, similar a la curva de exceso de temperatura controlada. No obstante, cuando el flujo de calor se incrementa ligeramente arriba del valor del flujo máximo de calor, la temperatura de la superficie de calentamiento aumenta bruscamente, y penetra en la región de ebullición de película sin pasar por la región intermedia de ebullición de transición. En la mayor parte de los casos, esta nueva temperatura puede ser más alta que la temperatura de fusión de la superficie de calentamiento, razón por la cual al punto máximo en el régimen de ebullición nucleada se conoce como flujo crítico de calor.

Por otro lado, cuando el flujo de calor disminuye desde un nivel suficientemente alto, el exceso de temperatura decrece a lo largo de la región de ebullición de película hasta que el flujo mínimo de calor se alcanza. Cuando el flujo de calor decrece ligeramente por debajo de este punto, la película de vapor se colapsa, se forman burbujas aisladas y la temperatura de la superficie cae hasta alcanzar el régimen de ebullición nucleada.

Cuando el flujo de calor se controla durante la ebullición, el régimen de ebullición de transición es inaccesible y ciertas porciones de la curva de ebullición únicamente pueden obtenerse al variar el flujo de calor en una dirección determinada. Se dice que la ebullición con flujo de calor controlado es un ejemplo de histéresis (Bejan, 1995; Ginoux, 1978).

5.2.2.2 Ebullición en flujo

La ebullición en flujo se distingue de la ebullición de un líquido en reposo por la presencia del flujo de un fluido, causado por la circulación natural en un circuito hidráulico o por una bomba externa. El cambio de fase se presenta cuando el líquido pasa por el canal calentado. En la ebullición en flujo el proceso de transferencia de calor es considerablemente más complicado, ya que ocurren efectos convectivos que no se presentan en la ebullición de un líquido en reposo. Se piensa que en la ebullición en flujo existen dos tipos de comportamiento: la ebullición nucleada, en la que se forman burbujas por nucleación en la superficie sólida, y la ebullición convectiva, donde el calor se transfiere por conducción y convección a través de una película delgada de líquido, y se presenta evaporación en la interfase líquido-gas. Ambos mecanismos pueden coexistir durante el proceso de ebullición; sin embargo, conforme la calidad del

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vapor se incrementa, la ebullición nucleada se suplanta gradualmente por la ebullición convectiva. Así, la razón de transferencia de calor se debe a la combinación de estos dos comportamientos, los cuales se encuentran estrechamente interrelacionados (Bejan, 1995; Whalley, 1987).

Cuando un fluido bulle mientras circula por un canal, un flujo de dos fases se origina, cuyas características son complejas debido a que existe una fuerte interacción entre su hidrodinámica y el comportamiento de la transferencia de calor (Kakaç y Mayinger, 1977). Algunas de estas características se tratarán en la sección 5.2.4, cuando se describa el proceso de generación directa de vapor. No obstante, es conveniente conocer los diferentes regímenes que puede experimentar un flujo bifásico al circular por un canal horizontal.

5.2.3 Flujo de dos fases

Un flujo bifásico es el flujo en el que interactúan dos fases, las cuales pueden ser sólido, líquido o gas. La característica principal que distingue al flujo bifásico de los flujos de una sola fase, es la existencia de interfases dentro del flujo, las cuales se influyen por el movimiento mismo de las fases. En un flujo bifásico, la distribución instantánea de las interfases dentro de un canal dado, para razones de flujo de fase dadas, puede tener un intervalo infinito de posibilidades. Sin embargo, existe una tendencia de los flujos de dos fases para adoptar determinadas configuraciones a lo largo de un canal, las cuales pueden ser claramente clasificadas. Las distribuciones características de las interfases se llaman regímenes o patrones de flujo y pueden pronosticarse a partir de variables independientes del sistema, como son las razones de flujo de cada fase y sus propie-dades físicas (Lun et al, 1996).

En un flujo bifásico líquido-gas en un tubo horizontal, los patrones de flujo son complicados, debido a que la gravedad causa una distribución asimétrica de las fases. En este caso, la fase líquida se arrastra hacia la parte baja del tubo y la fase gaseosa tiende por cambio de densidad, a fluir hacia la parte superior. Los patrones de flujo que pueden presentarse en un flujo horizontal adiabático se muestran en la fig 5.2. El orden en el que éstos se presentan va siguiendo el incremento en la razón de flujo de la fase gaseosa con respecto a la fase líquida.

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5.2.3.1 Flujo de burbuja

A razones bajas de flujo de gas, con relación a la razón de flujo de líquido, solamente burbujas dispersas de gas están presentes en la fase líquida, las cuales tienden a congregarse cerca de la parte superior del tubo y se mueven a una velocidad relativamente constante. A velocidades más altas del flujo, las burbujas pueden distri-buirse más uniformemente.

5.2.3.2 Flujo de burbujas asimétricas

Si la razón de flujo de gas se incrementa, las burbujas aumentan y se unen formando burbujas asimétricas, las cuales al igual que en el patrón anterior, tienden a moverse a lo largo de la parte superior del tubo.

5.2.3.3 Flujo estratificado

Con el incremento de la fase gaseosa, las burbujas asimétricas crecen y un flujo continuo de gas se presenta en la parte superior del tubo, mientras que la fase líquida fluye en el fondo. Este es el caso extremo de separación gravitacional. En este régimen la separación de las dos fases es completa y la interfase líquido-gas es lisa.

5.2.3.4 Flujo ondulado

Cuando se tiene un flujo bifásico de líquido y gas a través de un tubo sencillo, comúnmente el gas fluye más rápido que el líquido. Conforme la velocidad de la fase gaseosa se incrementa en el flujo estratificado, sobre la interfase líquido-gas se forman ondas, cuya amplitud aumenta al incrementarse la velocidad del gas.

5.2.3.5 Flujo intermitente

Cuando la razón de flujo de gas, relativa a la razón de flujo de líquido es lo suficien-temente alta, las ondas sobre la interfase pueden alcanzar una amplitud muy grande, de manera que éstas llegan a tocar la parte superior del tubo. Se alcanza un punto donde, en lugar de que el gas sea llevado por el líquido en forma de burbujas, el líquido es llevado por el gas a lo largo del tubo en forma de lingotes. Estos lingotes se distribuyen a lo largo del flujo y pueden tener desde algunos centímetros hasta alrededor de un metro de longitud y su velocidad aumenta conforme avanzan a lo largo del tubo.

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Fig 5.2 Patrones de flujo en un tubo horizontal

5.2.3.6 Flujo anular

En este régimen, debido a que la razón de flujo de gas es muy alto, el líquido fluye solamente en una película que se esparce alrededor de la pared del tubo en forma de anillo, mientras que la fase gaseosa ocupa el centro. Este anillo de líquido no tiene un espesor uniforme, ya que la película es más gruesa en la parte inferior del tubo. Con frecuencia, algo de líquido también se encuentra disperso en el centro en forma de gotas. Cuando se tienen razones de flujo de gas aún más altas, el anillo de líquido puede ser muy delgado o incluso eliminado, de manera que la fase líquida puede encontrarse únicamente como gotas dispersas o pulverizadas.

Los patrones de flujo anteriores han sido definidos para un flujo adiabático, lo que generalmente significa que las razones de flujo de gas y de líquido son constantes. Sin embargo, en el caso de un flujo al que se le suministra calor o con una caída de presión lo suficientemente grande para causar que una cantidad significante de líquido se evapore, los patrones de flujo pueden cambiar rápidamente a lo largo del tubo.

Los patrones de flujo son útiles para una mejor compresión del flujo de dos fases y para el desarrollo de modelos.

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5.2.4 Inestabilidades en flujos de dos fases

Se han observado diversos tipos de inestabilidades en el flujo de dos fases, los cuales van desde variaciones simples de flujo, hasta fenómenos periódicos complejos (Kakaç y Mayinger, 1977). Generalmente, las inestabilidades de flujo de dos fases pueden presentarse cuando los fluidos sufren grandes cambios de densidad, debido a ebullición, condensación o cualquier otro proceso. Como resultado de los cambios de densidad, pueden ocurrir grandes fluctuaciones en la razón de flujo. Un cambio en la razón de flujo produce un cambio en la densidad del fluido a través del sistema, el cual, por medio de la alteración en la distribución de la caída de presión, puede conducir a oscilaciones de flujo autoexcitadas. Las oscilaciones de flujo sostenidas pueden causar vibración mecánica forzada de componentes, problemas de control del sistema o pueden afectar las características locales de transferencia de calor, dando como resultado temperaturas oscilatorias en la pared del canal por el que circula el flujo.

Las inestabilidades de flujo de dos fases pueden clasificarse como inestabilidades estáticas o dinámicas, dependiendo del carácter estático o dinámico de las leyes de conservación necesarias para explicar la dinámica de los estados de equilibrio inestables (Delhaye y Giot, 1981). El inicio de las inestabilidades estáticas puede ser pronosticado a partir únicamente de consideraciones de estado estacionario, mientras que el desencadenamiento de inestabilidades dinámicas involucra la inercia transitoria y efectos dinámicos de retroalimentación.

A continuación, se describen brevemente algunas de las inestabilidades que pueden presentarse en un sistema de flujo de dos fases.

5.2.4.1 Crisis de ebullición

Ésta es el resultado de un cambio en el mecanismo de transferencia de calor y se caracteriza por un súbito aumento de la temperatura de la pared del canal por el que circula el flujo.

5.2.4.2 Expulsión periódica

La expulsión periódica de líquido de un canal es una inestabilidad de relajación que puede abarcar desde variaciones transitorias simples, de las razones de flujo de entrada y salida, hasta expulsiones violentas de grandes cantidades de líquido fuera del canal

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calentado, ya sea por uno o ambos extremos. El término usado para describir el fenómeno de expulsión periódica en un flujo es mediante pulsos de burbujas (chugging) (Delhaye y Giot, 1981; Kakaç y Mayinger, 1977). La expulsión la causa una vaporización súbita de la masa del fluido que ha sido sobrecalentada. En esta inestabilidad el fenómeno de formación, crecimiento y colapso de burbujas es importante. Al parecer, el mecanismo responsable de la generación de grandes sobrecalentamientos de líquido es el retardo en la nucleación, debido, por ejemplo, a la ausencia de sitios de nucleación en la pared del canal. El ciclo de la inestabilidad de expulsión periódica puede dividirse en incubación, nucleación, expulsión y un periodo de rellenado del fluido. En el periodo de incubación se produce el sobrecalentamiento necesario para la nucleación violenta. Debido a que el retardo de la nucleación puede variar fortuitamente, el periodo de la inestabilidad puede ser irregular.

5.2.4.3 Inestabilidades de transición de patrones de flujo

Los cambios en el régimen de flujo de dos fases son provocados por mecanismos que no siempre son bien entendidos. El régimen de transferencia de calor durante la ebullición, en la pared de un canal calentado, puede cambiar súbita y dramáticamente debido a cambios pequeños en algunos parámetros (crisis de ebullición, rehumedecimiento, transición de ebullición a transferencia de calor de una sola fase, etc). Debido a que algunas veces los regímenes de flujo y de transferencia de calor, tienen fuerte influencia sobre el comportamiento global del canal en el que se presenta la ebullición, estos cambios pueden conducir a inestabilidades de flujo (Delhaye y Giot, 1981).

Un ejemplo de esta inestabilidad de transición es cuando se tiene un flujo cuyas condiciones se encuentran cerca del punto de transición, entre el régimen de flujo de burbuja y el de flujo anular (Kakaç y Mayinger, 1977). Un incremento temporal en la cantidad de burbujas en el patrón de flujo de burbuja o en el patrón de flujo intermitente (originado por una reducción temporal en la razón de flujo) puede cambiar el régimen a flujo anular, con su característica caída de presión más baja. Esta caída de presión acelera momentáneamente la razón de flujo; sin embargo, al incrementarse ésta última, el vapor generado puede volverse insuficiente para mantener el régimen de flujo anular, revirtiéndose al flujo previo de burbuja o intermitente, de manera que el ciclo puede repetirse. Este comportamiento oscilatorio se debe, en parte, al retardo ocurrido en la aceleración y desaceleración del flujo.

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Otra situación que puede producir una inestabilidad, es el ruido generado por los patrones de flujo inestables, particularmente el flujo intermitente, que puede provocar vibración de componentes mecánicos y amplificar las perturbaciones de flujo o conducir a la crisis de ebullición.

5.2.4.4 Oscilaciones de ondas de densidad

Estas oscilaciones son probablemente el tipo más común de inestabilidad que se pueden encontrar en los sistemas de flujo de dos fases. Son causadas por la interacción dinámica entre razón de flujo, distribución de densidad y distribución de caída de presión dentro de un canal calentado. El mecanismo físico que conduce a las oscilaciones de ondas de densidad puede describirse de varias maneras, una de ellas es la siguiente (Hsu, 1986). Cuando existe una restricción aguas abajo en la salida de una sección calentada, la razón de flujo volumétrico que circula a través de la restricción es afectada por la densidad local del fluido. Cuando un lingote de líquido pasa a través de la restricción, el flujo se frenará y de esta manera el fluido permanecerá en la sección calentada por más tiempo y se generará una mayor cantidad de vapor. La expansión de dicho vapor aumentará la presión, la cual puede forzar al flujo tanto hacia aguas arriba como hacia aguas abajo. Después de que el lingote de líquido pasa a través de la restricción, la razón de flujo volumétrico se incrementará súbitamente, precipitándose el fluido fresco con baja cantidad de vapor y a muy alta velocidad a través de la sección calentada. El calentamiento de este último lingote de líquido provoca que el ciclo comience nuevamente. Durante todo el ciclo, la razón de flujo y la presión fluctúan entre valores altos y bajos. Esta inestabilidad es una oscilación de baja frecuencia, cuyo periodo es aproximadamente una o dos veces el tiempo requerido para que una partícula de fluido viaje a través del canal.

5.2.4.5 Oscilaciones de caída de presión

Esta clase de inestabilidades se desencadenan por un fenómeno de inestabilidad estática. Las oscilaciones de caída de presión ocurren en sistemas que tienen un volumen compresible aguas arriba o dentro de la sección calentada y se producen únicamente cuando la caída de presión a través de la sección de prueba decrece, al aumentar el flujo en el sistema (Kakaç y Mayinger, 1977). La inercia del fluido en el canal y el volumen compresible en el flujo de dos fases interactúan en forma similar a un sistema masa-resorte.

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Fig 5.3 Proceso de generación directa de vapor en el tubo absorbedor

5.2.4.6 Oscilaciones térmicas

Esta inestabilidad ocurre cuando se presenta una transición entre los modos de trans-ferencia de calor en respuesta a una fluctuación en el flujo. Estas oscilaciones producen grandes cambios en la temperatura de la superficie de calentamiento. Se piensa que en las oscilaciones térmicas el flujo podría oscilar entre la ebullición de película y la ebullición de transición en un punto dado, produciéndose así, oscilaciones de temperatura de gran amplitud en la pared del canal sujeto a un flujo de calor constante. Al parecer, en esta inestabilidad existe una interacción con oscilaciones de ondas de densidad de frecuencia más alta, las cuales actúan como perturbaciones que desesta-bilizan la ebullición de película (Kakaç y Mayinger, 1977). El periodo de las oscila-ciones térmicas está gobernado por la inercia térmica del calentador.

En un sistema real varias inestabilidades pueden ocurrir simultáneamente; al analizar un sistema todas las inestabilidades deben ser consideradas como componentes interrela-cionadas.

5.2.5 Descripción del proceso de generación directa de vapor

El proceso de generación directa de vapor en un concentrador de canal parabólico puede ser esquematizado como se muestra en la fig 5.3, donde se observa el corte longitudinal de un tubo absorbedor, en el que un flujo de agua se convierte en vapor mientras circula

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a través de él. Sobre la parte inferior del tubo incide un flujo concentrado de irradiancia solar directa. Debido a que el flujo incide únicamente sobre una parte del tubo, a través de la sección transversal de éste se presentan diferentes temperaturas, cuyo valor máximo se localiza en la parte inferior y el mínimo en la parte superior. Conforme la temperatura del tubo absorbedor aumenta, la energía solar absorbida es transferida al flujo de agua.

Suponiendo que el flujo de irradiancia sobre la superficie inferior del tubo es uniforme y que en el interior de éste se tiene una presión subcrítica constante a lo largo de toda su longitud, el tubo absorbedor puede ser dividido en tres zonas para su análisis (Mandal y Mandal, 1994; Ray, 1981).

En la primera zona, el flujo de agua líquida subenfriada entra al tubo absorbedor con una temperatura inicial T1. Conforme el agua avanza en esta zona su temperatura se incrementa hasta alcanzar la temperatura de saturación, la que se indica como T2. En esta zona se tendría un proceso de convección forzada de una sola fase, donde el coeficiente de transferencia de calor sería casi constante. En el caso de que el flujo de calor sobre el tubo absorbedor fuera alto, la nucleación de burbujas podría presentarse en esta primera zona de fase líquida. Así, debido a que la temperatura del flujo de agua todavía sería menor a la temperatura de saturación, la ebullición subenfriada del agua líquida ocurriría antes del punto marcado como de calidad termodinámica igual a cero. Por tanto, la ebullición subenfriada, junto con la convección forzada de la fase líquida, provocarían el incremento de la temperatura del flujo de agua. En este caso el coefi-ciente de transferencia de calor se incrementaría, debido a la ebullición subenfriada, conforme la masa del fluido se aproximara a su temperatura de saturación (Whalley, 1987).

La segunda zona en el tubo absorbedor corresponde a la del flujo bifásico originado por el cambio de fase que experimenta el agua. Aquí se tendría el proceso de ebullición saturada, donde la ebullición nucleada y los efectos de convección forzada provocarían una alta transferencia de calor. La generación de vapor en esta zona, inicialmente sería por nucleación en la pared del tubo; sin embargo, en caso de que el flujo de calor fuera bajo, la temperatura de la pared podría ser insuficiente para provocar la nucleación y el líquido sufriría un sobrecalentamiento considerable antes de que cualquier vapor se formará, de manera que la nucleación se retardaría hasta después del punto de calidad termodinámica igual a cero (Kakaç y Mayinger, 1977).

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Con el inicio de la ebullición nucleada se comenzaría a desarrollar el régimen de flujo de burbuja en el tubo absorbedor. Conforme el flujo de agua circulara por el tubo, la generación de vapor no solamente ocurriría en los sitios de nucleación, sino también se presentaría por evaporación directa desde las interfases, causando el aumento de la calidad del vapor. En el flujo de la mezcla líquido-gas se desarrollarían diferentes patrones (flujo de burbujas asimétricas, flujo estratificado, flujo intermitente, etc) cambiando de uno a otro, conforme la calidad del vapor se incrementara.

En el principio de esta segunda zona, la temperatura de la pared sería suficiente para provocar la nucleación de burbujas en la pared del tubo; sin embargo, al aumentar la calidad del vapor, la temperatura de la pared tendería a disminuir debido a la transferencia de calor mejorada. Al suceder esto último, la transferencia de calor en la interfase aumentaría en importancia con respecto a la transferencia de calor por ebullición nucleada. Por tanto, al seguir disminuyendo la temperatura de la pared, se llegaría a un punto en el que ésta no sería lo suficientemente alta para mantener activos los sitios de nucleación, por lo que la nucleación de burbujas se suspendería y el proceso de ebullición se volvería convectivo en carácter (Kakaç y Mayinger, 1977; Whalley, 1987).

Al presentarse esta última situación, la calidad del vapor sería tal que el patrón de flujo habría cambiado hasta llegar al régimen de flujo anular. Aunque algunas burbujas probablemente todavía se formarían en la pared del tubo, la mayor parte del cambio de fase se presentaría por evaporación en la interfase líquido-gas, como resultado de la conducción de calor a través de la película de líquido. En este régimen de flujo anular, el coeficiente de transferencia de calor aumentaría rápidamente conforme la película de líquido se volviera más delgada debido a la evaporación. Sin embargo, al continuar incrementándose la calidad del vapor, se llegaría a un punto en el que la película de líquido desaparecería, lo que provocaría que el coeficiente de transferencia de calor decreciera rápidamente hacia su valor para el vapor puro. Dicha situación es conocida como crisis de ebullición. En tubos horizontales, esta crisis ocurre primero en la parte alta del tubo (al secarse la película de líquido) mientras la parte baja de la pared permanece húmeda (Kattan et al, 1998a). Por consiguiente, la crisis de ebullición se presenta debido a la transición del régimen del flujo anular al de flujo anular con secado parcial de la pared del tubo.

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En esta segunda zona del tubo absorbedor, se presentarían la ebullición nucleada y la ebullición convectiva del agua. En un principio, el valor del coeficiente de transferencia de calor en esta zona dependería de las contribuciones de la ebullición nucleada y de la ebullición convectiva. Al volverse dominante la ebullición convectiva, el coeficiente de transferencia de calor aumentaría conforme se incrementa la calidad del vapor. El coeficiente alcanzaría su valor máximo a una alta calidad del vapor, punto en el que la pared del tubo todavía se encontraría completamente húmeda. La calidad del vapor en la que se tendrá el coeficiente de transferencia de calor máximo dependerá del flujo local de calor y de la velocidad de la masa de agua (Kattan et al, 1998c).

Al seguir aumentando la calidad del vapor el coeficiente de transferencia de calor disminuiría después de alcanzar su valor máximo, debido a que se iniciaría el secado parcial de la parte alta de la pared del tubo. Por tanto, el coeficiente de transferencia de calor decrecería rápidamente al incrementarse la calidad del vapor. En la última parte de esta segunda zona, el valor del coeficiente de transferencia de calor dependería de la configuración del patrón de flujo dentro del tubo, es decir, dependería de qué tanto de la pared del tubo se encontrara seca (Kattan et al, 1998b).

Al llegar a la tercera zona del tubo absorbedor, el flujo de agua habría sido evaporado completamente y se tendría el flujo en una sola fase del vapor. Al inicio de esta última zona, sin embargo, todavía podría tenerse un flujo de gotas de líquido dispersas en el flujo de vapor, las cuales se evaporarían después del punto indicado como de calidad termodinámica igual a uno.

En la tercera zona del tubo, nuevamente se tendría un régimen de convección forzada de una sola fase, donde el coeficiente de transferencia de calor sería relativamente bajo y alta la temperatura de la pared del tubo. El flujo de vapor entraría a esta última zona a una temperatura T3 igual a la temperatura de saturación (T2 = T3) y sería sobrecalentado hasta alcanzar una temperatura T4 a la salida del tubo absorbedor (Mandal y Mandal, 1994).

Cabe señalar que, debido al cambio constante en el flujo de irradiancia solar durante el día, para una razón constante de flujo de agua, la longitud de cada una de las zonas anteriores en el tubo absorbedor podría variar con el tiempo, debido al aumento o disminución de la cantidad de calor que se transfiere al fluido.

264

La dificultad de la generación directa de vapor, en un concentrador de canal parabólico, se debe al hecho de que en el tubo absorbedor se tiene un flujo de dos fases, cuya complejidad se presenta porque la mezcla de agua y vapor no es uniforme, ya que se producen distintos patrones de flujo. En este sentido, los regímenes que deben evitarse durante el proceso de generación son el flujo estratificado y el flujo intermitente. El flujo estratificado, provocado por la formación de zonas secas en la parte alta de la periferia del tubo, causadas por la disminución de la razón de flujo o bien por el secado parcial de la película de líquido en el régimen de flujo anular, es uno de los casos más críticos para el proceso. En los tubos absorbedores horizontales, o ligeramente inclinados, este régimen puede causar diferentes coeficientes de transferencia de calor entre las superficies que se encuentran en contacto con la fase líquida y con la fase de vapor, y provocar grandes diferencias de temperatura sobre la sección transversal del tubo absorbedor (Lippke, 1996; Müller et al, 1993). Por otro lado, como se mencionó en la sección anterior, el régimen de flujo intermitente puede provocar vibraciones, que pueden causar serios daños mecánicos.

Un punto importante en un sistema de generación directa de vapor es su comportamiento (respuesta transitoria) a las condiciones de insolación frecuentemente cambiantes y a las nubes pasando por el campo solar y sombreando los colectores por tiempo limitado. Por esta razón, un sistema de generación directa requiere de algún tipo de control en el campo solar para mantener las condiciones del vapor que se está generando. Algunas alternativas que se han pensado para lograr este objetivo son el control del flujo de entrada, la recirculación de agua extra desde un separador y la inyección local de agua a lo largo de la trayectoria del flujo (Müller et al, 1993).

El proceso de recirculación y el sistema de inyección son dos opciones que se han estudiado para lograr mejor control en los sistemas de generación directa de vapor.

En el proceso de recirculación, un flujo alto de masa es alimentado al concentrador, de manera que solamente son obtenidas bajas calidades de vapor. El vapor se separa en un tambor y es sobrecalentado en los colectores siguientes. Patrones de flujo favorables y flujos estables, a razones de flujo suficientemente altas, se pueden lograr siempre. Sin embargo, en este proceso aún quedan preguntas acerca de la operación de lazos paralelos y del control del sistema.

265

Por su parte, el sistema de inyección fue pensado como una forma para lograr el control local y facilitar que el campo solar reaccione a las perturbaciones locales de insolación, lo cual todavía no es posible en el proceso original de generación directa de vapor. En este sistema se inyecta agua en varios puntos del tubo absorbedor. Mientras que en el proceso original la calidad del vapor se incrementa a lo largo del tubo absorbedor, en el proceso de inyección la razón de flujo de masa se incrementa a muy alta calidad del vapor.

5.2.6 Generación directa de vapor en la planta solar

En la planta solar del Instituto de Ingeniería en Ciudad Universitaria, se instaló un sistema para estudiar el proceso de generación directa de vapor en un concentrador solar. Dicho sistema incluyó los siguientes elementos: un subsistema de concentración solar con concentradores de canal parabólico y tubo absorbedor, un depósito para almacenar agua tratada, una bomba tipo turbina regenerativa, un medidor de gasto de agua, válvulas para el control del flujo de agua en la entrada y salida del absorbedor, un concentrador de canal parabólico, y medidores de temperatura y presión.

Antes de realizar las primeras pruebas de generación de vapor, se montaron y enfocaron los espejos parabólicos del concentrador solar. Debido a que la estructura de soporte de algunos de estos espejos se encontraba deformada en alguno de sus bordes, fue necesario ajustar su posición para que al momento de enfocar el concentrador, los espejos reflejaran correctamente la radiación solar sobre el receptor. El estado del tubo absorbedor también influyó en este punto, ya que había partes en las que el tubo se colgaba o estaba ligeramente flexionado hacia alguno de sus lados, por lo que se buscó la posición de los espejos con la que se tuviera el mejor enfoque.

El agua que se utilizó durante las pruebas y la generación de vapor fue acondicionada en la planta de tratamiento de agua de la planta solar, localizada a un costado de ésta. Debido a que el agua natural sin tratar contiene disueltos compuestos minerales, en especial sales de calcio y magnesio (normalmente bicarbonatos y sulfatos) que causan su dureza, el agua fue sometida a un tratamiento de ablandamiento. Con este tratamiento, que consiste en eliminar las sales de calcio y de magnesio, se buscó evitar el problema de la formación de incrustaciones y depósito de sedimentos en la superficie del tubo absorbedor, lo que podría provocar un aumento en la resistencia al paso del calor y, por tanto, la disminución en la eficacia de la transferencia de calor.

266

Al inicio de las primeras pruebas de generación de vapor, el gasto de agua de entrada se reguló buscando que éste fuera evaporado completamente en el concentrador, de manera que a la salida se tuviera solamente un flujo de vapor. Sin embargo, aun suministrando un gasto de 0.757 L/min, que era el mínimo registrado por el medidor de flujo, a la salida del absorbedor se obtuvo un flujo de líquido y gas. Solo fue posible generar vapor saturado de baja calidad en el concentrador.

5.2.6.1 Deflexión del tubo absorbedor

Durante las primeras pruebas de generación de vapor, se presentó un problema con el receptor del concentrador solar, que consistió en la deflexión del tubo absorbedor (Almanza et al, 1997). Dicha deflexión, que provocó la ruptura de los tubos de vidrio del receptor, ocurría cuando a la salida del tubo absorbedor se tenía un flujo de vapor sin agua líquida y se presentaba, casi siempre hacia la parte de arriba del absorbedor y en ninguna ocasión hacia abajo o hacia los lados. Al principio, la deflexión solamente aparecía en la parte final del tubo absorbedor; sin embargo, en pruebas posteriores, ésta tuvo lugar a lo largo de todo el tubo. En la fig 5.4 se muestra el tubo absorbedor, compuesto de cinco segmentos e instalado en la línea focal del concentrador parabólico.

Fig. 5.4 Deflexión en el segmento 4 del absorbedor de acero

267

El tubo absorbedor se componía de cinco tubos de acero dulce de 3.175 cm de diámetro exterior, 2 mm de espesor y 3 m de longitud, los cuales se apoyaban en cinco soportes ubicados a lo largo del concentrador y separados uno de otro por una distancia promedio de 2.95 m. En dichos soportes, el tubo absorbedor tenía libertad para moverse axialmente, por lo que su expansión térmica longitudinal no era restringida.

Debido a que la deflexión era difícil de pronosticar durante la generación de vapor, para su análisis se encontró una forma alternativa de reproducirla. El procedimiento consistió en enfocar el concentrador y permitir que el tubo absorbedor sólo con aire elevara su temperatura con la irradiancia solar. Después de determinado tiempo, un flujo de agua a temperatura ambiente se alimentaba al concentrador, que al circular y evaporarse en el tubo absorbedor, provocaba el pandeo. Con este procedimiento, la deflexión se iniciaba en el primer tubo, alcanzaba su valor máximo y disminuía hasta desaparecer por completo; posteriormente, la deflexión se presentaba en el segundo tubo, donde seguía la misma secuencia y después pasaba sucesivamente a los demás tubos (véase segmento 4 de la fig 5.4). Conforme el flujo de agua circulaba a través del tubo absorbedor, el pandeo se iba presentando en cada uno de los segmentos del tubo que lo formaban, hasta que dicho flujo alcanzaba la salida. Momentos antes de que se iniciara el pandeo en cada uno de los tubos, a la salida del tubo absorbedor se tenía un flujo brusco de vapor (debido a la evaporación súbita del agua en el tubo caliente). El flujo de vapor se presentaba generalmente cuando la deflexión crecía y alcanzaba su valor máximo; ulteriormente, cuando el pandeo comenzaba a bajar, el flujo de vapor cesaba y no se volvía a presentar hasta que la deflexión comenzaba en el siguiente tubo.

Para estudiar este problema, se llevaron a cabo mediciones de la temperatura del tubo absorbedor, antes, durante y después de presentarse la deflexión, así como de la magnitud de esta última. Las mediciones de temperatura se realizaron por medio de dos termopares tipo T (cobre-constantán). Los termopares eran de tipo bayoneta con resorte, los cuales fueron colocados en el tubo absorbedor por medio de un adaptador de abrazadera para registrar la temperatura de la superficie exterior del tubo en su parte superior e inferior. Por su parte, la deflexión se midió utilizando un teodolito y un extensómetro. Las mediciones se tomaron sin la cubierta de vidrio y en el punto medio de cada uno de los tubos, lugar donde generalmente se presentaba la deflexión máxima. Las mediciones se efectuaron solamente en un tubo a la vez, iniciando con el primer tubo, siguiendo con el segundo y así sucesivamente hasta llegar al quinto.

268

Fig 5.5 Gráficas de temperaturas en el tubo absorbedor, segmento 1 – prueba 2

Antes de iniciar una serie de mediciones, el tubo por medir tenía, en promedio, una temperatura de 172°C en la parte inferior y 136°C en la parte superior. El flujo de agua con que se alimentó al concentrador fue de 2 L/min; para esto, únicamente se utilizó la presión hidrostática proporcionada por el depósito de agua, el cual se encontraba aproximadamente 1.5 m sobre el nivel del tubo absorbedor. Las temperaturas se registraron cada 15 s, mientras que la magnitud de la deflexión se midió solamente cuando ésta alcanzaba su valor máximo. Sin embargo, hubo ocasiones en las que el valor de la deflexión pudo registrarse momentos antes de llegar a su punto máximo. En cada uno de los tubos se realizaron tres mediciones, de manera que se obtuvieron 15 grupos diferentes de valores (Jiménez, 2000).

Analizando el comportamiento de las temperaturas en cada uno de los tubos, antes, durante y después de la deflexión, se puede establecer que éstas siguen una cierta tendencia, la cual puede ser descrita utilizando los valores obtenidos en la medida 2 del tubo 1 del absorbedor, presentados en la fig 5.5. Se encuentran graficadas con respecto al tiempo, la temperatura de la parte superior e inferior del tubo, así como la diferencia de temperatura entre estas dos zonas. Las líneas verticales indican el comienzo (ED) y el

269

final (BD) del pandeo, así como el momento en que se presentó la deflexión máxima (Dmáx), cuyo valor también se muestra. Los puntos indicados con las líneas verticales únicamente son una aproximación, ya que en algunos casos la deflexión se presentaba de manera muy rápida, por lo que era difícil ubicar el punto exacto en el que la deflexión iniciaba, finalizaba o alcanzaba su punto máximo.

En la fig 5.5 se puede observar que inicialmente las temperaturas del tubo se encuentran estables, los valores que se tienen en la parte superior e inferior son casi constantes. En el tiempo t = 30 s, punto en el que aproximadamente se inicia el pandeo, ambas tempe-raturas comienzan a disminuir; sin embargo, como puede notarse, la temperatura de la parte de abajo del tubo decrece con mayor rapidez que la de la parte de arriba. Cabe mencionar que es aproximadamente, en este momento, cuando se presenta el flujo brusco de vapor. La diferencia en la rapidez con que la temperatura disminuye en cada una de las zonas del tubo, es muy marcada en el intervalo comprendido entre t = 30 y t = 45 s, donde la deflexión alcanza un valor de 4.2 cm. En el intervalo siguiente de t = 45 a t = 60 s, la rapidez con la que varía la temperatura de abajo sigue siendo mayor que la de arriba, aunque la diferencia aquí no es tan marcada; durante este intervalo la deflexión aumenta ligeramente, llegando a 4.3 cm. La deflexión alcanza un valor máximo de 4.5 cm en el intervalo comprendido entre t = 60 y t = 75 s. En este último lapso, la rapidez con que disminuyen las temperaturas se invierte, es decir, la temperatura superior decrece más rápido que la temperatura inferior, aunque en este caso, la diferencia en la rapidez de disminución de las temperaturas no es tan grande. Este comportamiento continúa hasta t = 105 s; sin embargo, la deflexión desaparece alrededor del tiempo t = 90 s. A partir de t = 105 s, ambas temperaturas decrecen con la misma rapidez.

En cuanto al comportamiento de la diferencia de temperatura entre las dos zonas del tubo, se puede observar que ésta disminuye abruptamente a partir del tiempo t = 30 s, debido a la rápida variación de la temperatura de la parte inferior. La diferencia de temperatura disminuye hasta alcanzar un valor mínimo en t = 60 s. En las diferentes pruebas que se realizaron, se observó que es aproximadamente al alcanzar este valor, cuando se presenta la deflexión máxima del tubo. Después de este punto, la diferencia de temperatura vuelve a incrementarse, como resultado de que ahora la temperatura de la parte superior del tubo disminuye con mayor rapidez que la de la parte inferior. Cuando las temperaturas en ambas zonas del tubo disminuyen con la misma rapidez, la diferencia de temperatura tiende a estabilizarse alrededor de un valor determinado. En la figura esto sucede aproximadamente a partir de t = 105 s.

270

TEMPERATURA DE LA SUPERFICIE DEL TUBO ABSORBEDOR

segmento 3, prueba 1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 Tiempo, en s

Tem

pera

tura

, en

°C

Temp. sup. Temp. inf. Dif. temp.

BD

Dmáx= 1.3 cm.ED

a)

TEMPERATURA DE LA SUPERFICIE DEL TUBO ABSORBEDOR

segmento 5, prueba 3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 Tiempo, en s

Tem

pera

tura

, en

°C

Temp. sup. Temp. inf. Dif. temp.

EDDmáx=2.9 cm.

BD

b)

Fig 5.6 Gráficas de temperaturas en el tubo absorbedor: a) segmento 3 – prueba 1; b) segmento 5 – prueba 3

271

En las mediciones realizadas hubo pruebas en las que la diferencia en la rapidez con la que disminuían las temperaturas no fue tan marcada; en tales casos el valor de la deflexión fue menor. Como ejemplo de esto, en la fig 5.6 se muestran las gráficas de la prueba 1 del tubo 3 y de la prueba 3 del tubo 5. En esta última, puede observarse cómo las temperaturas aumentan gradualmente hasta el momento en que se inicia el pandeo; esto se debió a que la temperatura del tubo todavía no se encontraba estabilizada en el momento de iniciar la prueba.

Aunque el procedimiento que se utilizó para reproducir la deflexión del tubo en las mediciones anteriores fue distinto de la manera en que la deflexión se presentó durante la generación de vapor, la causa de ésta puede referirse como sigue.

Durante la generación de vapor en el concentrador, es probable que la presión interna del tubo absorbedor aumentara, debido a la falta de una buena regulación, y provocara que la presión de la bomba no fuera suficiente para mantener un flujo constante de agua en el concentrador, lo que redujo el gasto o incluso dejó de suministrarlo. Es probable que el flujo dentro del absorbedor se haya estratificado, de manera que el agua líquida, al fluir por la parte de abajo del tubo, aumentó rápidamente su temperatura hasta llegar a un punto en el que su evaporación se presentó de manera súbita, y provocó que la temperatura de la parte inferior disminuyera abruptamente en un intervalo corto de tiempo, a diferencia de la temperatura de la parte superior. Esta disminución originó una distribución de temperaturas no uniforme en el tubo absorbedor, la cual provocó que la parte inferior del tubo sufriera una contracción mayor que la parte superior en un mismo intervalo de tiempo, induciéndose así un sistema de esfuerzos que dio origen a la deflexión (Boley, 1960).

Debido a que en este caso los esfuerzos térmicos fueron originados por una distribución de temperaturas no uniforme en el tubo absorbedor, provocada en un intervalo corto de tiempo, los tubos de acero dulce fueron cambiados por tubos de cobre, con el propósito de obtener una distribución de temperaturas más uniforme en caso de presentarse esta disminución abrupta de la temperatura de la parte inferior del tubo. Los tubos de cobre utilizados tenían 3.51 cm de diámetro exterior y 3 m de longitud. Al reproducir la deflexión con los tubos de cobre, ésta no se eliminó totalmente, pero disminuyó de manera que fue casi imperceptible.

272

La deflexión en el tubo absorbedor disminuyó debido a que el cobre, al tener una conductividad térmica mayor (395 W/m K) que la del acero dulce (51 W/m K) originó una distribución de temperatura más uniforme en el tubo absorbedor. De esta manera, al presentarse la disminución abrupta de la temperatura de la parte inferior del tubo, la alta conductividad térmica del cobre provocó que las contracciones sufridas en las diferentes partes del tubo fueran también más uniformes, lo que permitió que fueran compensadas mejor por el tubo absorbedor y se evitara así la deflexión.

Finalmente, las pruebas de generación de vapor se realizaron con los tubos de cobre y durante éstas, la deflexión no se volvió a presentar.

5.2.6.2 Generación de vapor con el tubo absorbedor de cobre

Utilizando el tubo absorbedor de cobre, las pruebas que se realizaron consistieron en observar el comportamiento y control del sistema durante la generación directa de vapor.

Durante dichas pruebas se presentaron reflujos de vapor del sistema de concentración hacia la bomba de alimentación, los que provocaron que ésta dejara de bombear agua. Fue necesario instalar una válvula de retención para evitar tanto los reflujos de vapor como los de agua caliente, así como los golpes debidos al paro de la bomba.

Puesto a que el gasto de agua proporcionado por la bomba era demasiado alto, se hizo un arreglo en la tubería para recircular parte de dicho gasto (bypass) y poder alimentar al concentrador el flujo de agua adecuado con la presión requerida.

Para regular el flujo de vapor a la salida del concentrador, fue necesario emplear una válvula de aguja, ya que durante las horas de baja radiación era más difícil mantener constante la presión interna del concentrador, por lo que fue requerida una regulación más fina del flujo.

Para medir la calidad de vapor generado, fue necesario separar las fases del flujo bifásico obtenido a la salida del concentrador, para lo que se armó un separador de vapor. Este separador consistió simplemente de un ensanchamiento en la tubería, que reducía la velocidad del flujo, y de un arreglo en forma de T, que cambiaba la dirección de la fase gaseosa del vapor. Por tanto, al reducir la velocidad del flujo bifásico y cambiar la dirección de la fase gaseosa, se lograba que ésta quedara separada de la fase

273

líquida. Para evitar que alguna parte de la fase gaseosa saliera junto con el flujo de la fase líquida, a la salida de esta última se colocó una trampa de vapor de cubeta invertida, que además sirvió para captar y acumular la fase líquida.

Durante la generación de vapor se presentaron fugas a través de las uniones de los tubos de cobre. Los tubos contaban con extremos roscados, los cuales fueron sellados con cinta de teflón; sin embargo, después de trabajar por algún tiempo, los tubos se aflojaban y se presentaban fugas de vapor a través de las uniones. Este aflojamiento de los tubos era provocado por la expansión y contracción que sufría la tubería al enfocar y desenfocar el concentrador durante el día. Para solucionar este problema se utilizó un sellador para tuberías de vapor, el cual eliminó las fugas durante algunos días.

Una vez que se hicieron los cambios necesarios en la instalación, la generación directa de vapor se llevó a cabo sin problemas.

Cabe mencionar que durante estas pruebas no se observaron inestabilidades en el flujo de dos fases obtenido en el absorbedor. Esto probablemente se debió a que el vapor generado fue de baja calidad; al tenerse una cantidad baja de vapor en el flujo bifásico, se obtuvo un régimen de flujo favorable, que evitó el surgimiento de alguna inestabilidad.

El sistema se preparó para llevar a cabo las mediciones necesarias para obtener la eficiencia térmica del concentrador cilíndrico parabólico.

5.2.7 Conclusiones de esta sección

De acuerdo con el modelo matemático desarrollado por Valdés et al, en 1998, flujos estratificados generan un efecto importante de enfriamiento en la parte inferior del absorbedor durante la ebullición del agua en el flujo en dos fases. Esto significa que el efecto de enfriamiento en la parte inferior del tubo es más drástica que en la parte superior (véanse las figs 5.5 y 5.6), por lo que se presenta una contracción axial del tubo absorbedor, que es más rápida en la parte inferior que en la superior, lo cual explica la flexión hacia arriba (Almanza et al, 2002). Una explicación más rigurosa es la siguiente. Al inicio se calienta el tubo con aire estático hasta lograr temperaturas del orden de 170oC al incidir la irradiancia solar directa sobre el absorbedor. Estas condiciones se logran en alrededor de 30 min, de manera que la diferencia de temperaturas alcanzada entre la parte superior e inferior es del orden de 40oC antes de iniciar el flujo de agua

274

(fig 5.5). Una expansión lineal se realiza durante este calentamiento, la cual hace que el tubo se deslice sobre los postes con una deflexión de solamente 2 a 3 mm en cada sección del tubo absorbedor. Cuando el agua empieza a fluir en dicho receptor, un gradiente térmico se observa en cada una de las secciones en forma independiente, de manera que una diferencia de temperaturas de sólo 4oC se alcanza en 60 s con una deflexión de 4.3 cm (fig 5.5). Ninguna deflexión se crea en las siguientes secciones, hasta que el agua llega a éstas, ya que solamente existe aire en ellas. De manera que esta deflexión sólo es un fenómeno transitorio local debido al gradiente térmico observado, que genera esfuerzos térmicos.

Se puede concluir que existen dos tipos de flexión en el absorbedor, una debida a la expansión térmica del absorbedor cuando se calienta con aire estático, desde la temperatura ambiente hasta arriba de 140oC. Esta deflexión es despreciable (2 a 3 mm) en cada sección, mientras la otra es local y transitoria, debida a gradientes térmicos rápidos en cada sección del absorbedor. Este fenómeno ha sido explicado teóricamente por Almanza et al (2002).

La solución de usar cobre en lugar de acero no es la óptima, ya que cuando este material eleva su temperatura se va recociendo de manera que cambian sus propiedades mecánicas.

5.3 Transitorios en receptores de acero y de pared bimetálica Cu-Fe, durante la generación directa de vapor

5.3.1 Antecedentes

Han surgido serios problemas durante la generación directa de vapor en las plantas solares que emplean concentradores de canal parabólico con receptor lineal, relacionados con los transitorios en la alimentación del flujo másico de agua y con el flujo de irradiancia solar que incide en la superficie exterior del receptor. Estos transitorios crean un desbalance térmico en dirección acimutal en la pared del tubo originando problemas. En primer lugar, la flexión del receptor ascendente o descendente y en consecuencia la ruptura del tubo de vidrio envolvente y, en segundo lugar, la creación de esfuerzos térmicos en la pared que originan daños al recubrimiento selectivo y fatiga en el material.

275

La solución a estos problemas sería mantener la superficie interna de la pared del receptor lo suficientemente húmeda, con lo que la transferencia de calor tendería a ser homogénea y eliminaría al máximo el desbalance térmico.

Para lograr lo anterior, se han hecho algunas propuestas técnicas; entre otras, la inclinación ascendente del receptor en la etapa de ebullición, es decir, donde se forma el flujo en dos fases, ya que el diferente coeficiente de transferencia de calor de cada una de las fases es la causa directa del problema térmico (Herrmann y Lippke, 1998). Otra solución sería el acoplamiento interno de un tubo excéntrico al tubo receptor, con menor espacio en la parte baja para lograr que el líquido se eleve a la parte superior del tubo y logre humedecer la mayor parte de la pared del receptor (Geskes y Fischer, 1999) .

Otro problema que ocasiona la distribución de líquido y gas que fluye a través de un tubo horizontal es que, además de afectar el valor de la transferencia de calor y crear variaciones de temperatura, provoca inestabilidades en la velocidad de masa del fluido e inestabilidad del sistema de generación de vapor, dando lugar a la formación de zonas secas y calientes en la pared interna del receptor, las cuales degradan la superficie selectiva; además, genera la vibración intermitente del receptor en la zona de alimentación de agua.

Para prevenir inestabilidades de flujo, daños a la superficie selectiva y fatiga en el material del receptor, la superficie interna del tubo debe estar en contacto con la fase líquida en todo momento. El diagrama propuesto por Baker (1954) se emplea a menudo como guía para asegurar que las condiciones de flujo en el tubo receptor se encuentran dentro de un régimen de flujo aceptable para evitar estos problemas.

Por otro lado, en la planta solar del Instituto de Ingeniería, UNAM, se ha construido un receptor de pared cobre-acero, basado en los resultados de simulaciones teóricas para determinar la distribución de temperaturas en la pared del receptor; la excelente conductividad térmica del cobre y la resistencia mecánica del acero favorecen la distribución homogénea de temperaturas y disminuye la deformación del receptor, ya que los gradientes térmicos se minimizan y con ello se reducen en gran medida los efectos de los transitorios durante la GDV (Flores et al, 2000; Almanza et al, 2000). Asimismo, se han probado experimentalmente receptores de acero de 25.4 y 31.7 mm de diámetro y los resultados han sido comparados entre sí, a fin de proponer el mejor de los receptores para las condiciones de operación de la planta solar.

276

En particular en el estudio de los transitorios durante el proceso de generación directa de vapor, la respuesta transitoria del receptor bimetálico bajo el suministro repentino de un flujo de agua es uno de los aspectos más importantes que se han investigado teórica y experimentalmente en los últimos años en el Instituto de Ingeniería. En este mismo contexto se han estudiado aspectos primordiales, como el ángulo de incidencia de la irradiancia solar sobre la pared del receptor, y situaciones críticas como los altos gradientes de temperatura en el mismo.

5.3.2 Flujo estratificado en tubos horizontales

Algo primordial para el diseño o selección de receptores para concentradores de canal parabólico son los patrones o regímenes de flujo bifásico, definidos por la configuración geométrica que adoptan las dos fases en un flujo líquido-gas (Whalley, 1996).

En el flujo estratificado como se mencionó en la primera sección de este capítulo, la interfase gas-líquido es lisa, aunque normalmente es ondeante como en el flujo de onda.

Los flujos de agua y vapor se caracterizan por los diferentes coeficientes de trans-ferencia de calor; diversos patrones de flujo causan distintos perfiles de temperatura en la pared en una sección transversal. Si la pared se humedece uniformemente la transferencia de calor es muy buena y la diferencia de temperaturas sobre la sección transversal pequeña; sin embargo, si la pared del tubo no se humedece completamente por la fase líquida, surgen localmente gradientes térmicos en la pared del tubo.

Un flujo bifásico líquido-vapor en tuberías horizontales de 25.4 mm de diámetro con velocidades de la fase líquida ≤ 0.15 m/s y de la fase vapor entre 0.15 y 3.05 m/s (Baker, 1954), a través de tubos calentados, tiende a la estratificación de capas de agua y vapor. En este caso, el vapor de agua fluye por la parte superior de la pared interna del tubo y el líquido por la parte inferior, donde se considera que la superficie del líquido es relativamente uniforme (fig 5.7). Cuando la fase vapor es sobrecalentada a pesar de que una película de líquido aún existe en el fondo del tubo, el desbalance térmico de las fases aparece pronto con muy baja calidad del vapor. Después de que ocurre la estratificación, el desbalance aún se incrementa, ya que por acción de la gravedad sólo la capa inferior del vapor en contacto con la superficie líquida de agua (interfase líquido-vapor) contiene gotas, lo que evita que se humedezca la parte superior de la pared del tubo.

277

Fig 5.7 Flujo estratificado

El flujo estratificado conduce a un sobrecalentamiento local de la pared del tubo receptor; la gran diferencia entre los coeficientes de transferencia de calor de la sección líquida y la sección de vapor en la superficie interna del tubo da como resultado altos gradientes de temperatura que inducen a severos esfuerzos térmicos en la pared del tubo. Los flujos de burbuja, tapón y anular no causan esfuerzos térmicos, ya que ellos aseguran suficiente humedad en toda la superficie interna del tubo (Goebel, 1999; Ginoux, 1978), por lo que es deseable trabajar con estos flujos. Sin embargo, debido a las condiciones de bajo gasto de vapor en plantas termosolares de baja potencia (1 kWe a 100 kWe) es importante conocer a fondo el comportamiento del flujo estratificado.

5.3.3 Modelo matemático

Se desarrolló un programa de simulación para determinar la distribución de tempe-

raturas en la pared de un tubo receptor bimetálico cobre-acero en condiciones de flujo

estratificado y flujo de irradiancia lateral. Anteriormente, se desarrolló uno para simular

la distribución de irradiancia solar con incidencia en la parte inferior del receptor

(Valdés et al, 1998).

La configuración de la distribución de la fase de líquido y vapor a través de la pared

interna del receptor, con atención especial al ángulo de incidencia del flujo de calor en

la pared externa del tubo, son aspectos primordiales considerados en el desarrollo del

modelo matemático. No obstante que el problema es de tipo cilíndrico, el modelo

matemático que se describe a continuación y con el cual se resuelve el problema de la

distribución de temperaturas es de coordenadas cartesianas. En principio, facilita la

comprensión de la distribución de temperaturas y a pesar de ser sencillo en la solución,

hasta el momento ha presentado buena concordancia y estabilidad en comparación con

los resultados obtenidos experimentalmente.

278

a) Flujo de irradiancia distribuido b) Flujo de irradiancia homogéneo

Fig 5.8 Configuración del receptor Cu-Fe con flujo bifásico, flujo de calor lateral y parámetros de interés en el desarrollo del modelo

Con respecto a la distribución del flujo de calor en la pared del receptor, se podría tomar la que muestra la fig 5.8a, si la sección transversal del concentrador fuera totalmente parabólica. No obstante, en el modelo aquí desarrollado la configuración que muestra la fig 5.8b se acerca más a la distribución real del flujo de calor, por la deformación sufrida en los concentradores con el tiempo, causante de que la región focal se haya dispersado.

La distribución de temperaturas en estado estable para el esquema de la fig 5.8b, se obtiene de la solución de la ec 5.1:

02

2

2

2

=∂∂

+∂∂

yT

xT (5.1)

Bajo las condiciones de frontera siguientes:

yTk

yTk

∂∂

−=∂∂

− en y = 0, y = πD (5.2)

"qxTk =

∂∂

− en x = L, e ≤ y ≤ πD (5.3)

)TT(hxTk pgg −=

∂∂

− en x = 0, e2 ≤ y ≤ πD (5.4)

)TT(hxTk pff −=

∂∂

− en x = 0, e1 ≤ y ≤ e2 (5.5)

)TT(hxTk pgg −=

∂∂

− en x = 0, 0 ≤ y ≤ e1 (5.6)

279

0=∂∂

−xTk en x = L, 0 ≤ y ≤ e (5.7)

La condición de frontera (ec 5.7) establece una pared adiabática en la dirección y, desde 0 hasta e, que con base en la fig 5.8 corresponde a la mitad de la pared del tubo, donde no hay incidencia del flujo de calor. En la práctica se logra cuando el receptor se envuelve con una cubierta de vidrio transparente, y en el modelo matemático así se ha considerado.

Las ecs 5.1 a 5.7 se resolvieron empleando el método de diferencias finitas con la distribución de nodos que muestra la fig 5.9, y estableciendo la siguiente relación de tamaño de malla

XYC

∆∆

= (5.8)

A continuación se establecen las ecuaciones en diferencias finitas para cada punto nodal:

Borde convectivo en dirección X (cobre-fase vapor o líquida):

∞∞

−+∞

+ −=++

+− T

kYhT

CCTT

CkYhT

C Cun,mn,mn,m

Cun,m

∆∆111 2

1121 (5.9)

Nodos internos (cobre-cobre):

02112

21

1111 =++

+−+ −+−+ n,mn,mn,mn,mn,m TCTT

CCCTT (5.10)

Nodos internos (cobre-acero):

022 1111 =

+++

+

++−+

+−+−+ n,m

Cu

FeCun,m

Cu

Fen,m

Cu

Fe

Cu

FeCun,mn,m

Cu

FeCu TCk

kkCT

kk

TCkk

Ckkk

CCTTCk

kk

(5.11)

Borde con flujo de calor (acero-flujo de irradiancia):

Fe

n,mn,mn,mn,m kY"qT

CT

CCCTT

C∆

−=+

+−+ −−+ 111 2

1121 (5.12)

Borde adiabático (acero-sin flujo de irradiancia):

02111

111 =+

+−+ −−+ n,mn,mn,mn,m T

CT

CCCTT

C2 (5.13)

280

Fig 5.9 Distribución de nodos en la pared del receptor Cu-Fe

Fig 5.10 Altura del nivel del líquido y ángulo de humedad

En el modelo matemático es primordial el conocimiento de los coeficientes de transferencia de calor, tanto de la fase líquida como de vapor. El proceso de cálculo es el siguiente (Hahne et al, 1997), (Herrmann y Lippke, 1998):

Se determinan las áreas transversales de la sección líquida Af y de la sección de vapor Ag

respectivamente, las cuales están en función de la altura del líquido δ y éste a su vez del ángulo de humedad θ (fig 5.10 y ec 5.14); así mismo, el área transversal de la región líquida se obtiene en función del ángulo de humedad, ec 5.16

)(r θδ cos1−= (5.14)

(5.15) )(rAf θθθ cossen2 −=

281

Es determinante que se requiere un proceso iterativo para precisar δ y θ, por lo que un paso importante en el proceso del cálculo de los coeficientes de transferencia de calor es calcular el ángulo de humedad, lo que se hace por iteraciones aplicando el método de Newton de primer orden.

El área transversal de la región de vapor se determina como

fig AdA −= 2

4π (5.16)

Con la altura del líquido para un flujo másico establecido e introduciendo las propie-dades termodinámicas del fluido, se determinan la calidad del vapor y posteriormente los coeficientes de transferencia de calor para la fase líquida y para la fase de vapor

hf

fff d

kNuh =

hg

ggg d

kNuh = (5.17)

( )( ) ( )( )187121

1000832 −+

−=

/Pr/.Pr)(Re/Nu

ξξ (5.18)

Los números de Reynolds y Prandtl del líquido y vapor son respectivamente

f

Afhff

mdRe

µ=

g

.

Aghgg

mdRe

µ= (5.19)

f

fff k

CpPr

µ=

g

ggg k

CpPr

µ= (5.20)

siendo

f

fhf S

Ad

4=

fg

ghg SS

Ad

+=

4 (5.21)

−−= 12arccos

iif d

dS δπ fig SdS −π= (5.22)

(5.23) 210 )64.1Relog82.1( −−=ξ

Antes de aplicar este modelo matemático al tubo bimetálico, se validó con base en resul-tados experimentales obtenidos por Goebel (1999), quien generó la gráfica de la fig 5.11.

282

200

220

240

260

280

300

320

340

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390

Periferia del receptor, en grados

Tem

pera

tura

de

la p

ared

, en

°C

Temperatura

Fig 5.11 Distribución de temperaturas en la pared del receptor de acero (Goebel, 1999)

200

220

240

260

280

300

320

340

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390

Periferia del receptor, en grados

Tem

pera

tura

de

la p

ared

, en

°C

Temperatura

Fig 5.12 Distribución de temperaturas en la pared del receptor de acero con datos con los que se generó la fig 5.11 y aplicando el modelo matemático desarrollado

La gráfica (fig 5.11) se empleó para corroborar los resultados generados por este modelo matemático. En ella se muestra la tendencia que describe la distribución de temperaturas para un receptor de acero de 50 mm de diámetro, con calentamiento lateral, presión de 30 bar, flujo másico de 50 kg/m2s y flujo de calor de 46 kW/m2. Con estas mismas condiciones, se trabajó con el modelo aquí desarrollado y se generó la gráfica de la fig 5.12. Resultó que, para el primer caso (resultados de Goebel), la mayor temperatura es 326°C y, para el segundo, 329.8°C; las menores temperaturas son 235°C y 234.7°C, respectivamente; así mismo, las zonas de mayor y menor temperatura con-cuerdan con la posición angular de la sección transversal del tubo como se muestra en las figs 5.11 y 5.12, lo que da validez al modelo matemático.

283

5.3.4 Receptor de pared bimetálica cobre-acero

Se han descrito algunos problemas inherentes a la GDV, estudiados actualmente por diversos autores (Almanza et al, 2002; Zarza et al, 1997) y el problema más crítico y, por tanto, más significativo en este proceso es la flexión que sufren los tubos receptores. Para visualizar la factibilidad de construir un tubo receptor de pared compuesta con una capa interior de cobre y una exterior de acero, se empleó el modelo matemático antes descrito, con el que se simuló el comportamiento térmico de tres configuraciones diferentes de receptor, bajo las mismas consideraciones de operación de flujo estratificado. En la simulación, se consideraron receptores de 31.7 mm de diámetro, lo que produjo una mezcla saturada estratificada a 350oC. Cuando el tubo es de cobre, se genera una diferencia de temperatura acimutal máxima de 8.57oC (364.91-356.34°C), mientras que cuando el receptor es de acero la diferencia máxima es de 28.62oC (382.93-354.31°C). Posteriormente, se simuló un receptor de pared compuesta cobre-acero y se obtuvo una diferencia de temperatura máxima de 15.7oC (371.11-355.41°C). En esta simulación el espesor de la pared de cobre es 1/3 del espesor total de la pared.

Modificando el espesor de la pared de cobre en el receptor compuesto, la distribución de temperaturas puede manejarse entre los dos límites para el acero y para el cobre. Con el propósito de probar esta aseveración, se realizó una nueva simulación, ahora conside-rando que el espesor de la pared de cobre es 2/3 del espesor total de la pared. Cuando el espesor de la pared de cobre en el receptor de pared compuesta es 2/3 del espesor total, la diferencia de temperaturas máxima que se alcanza es de 11.09°C (367.08-355°C), similar al perfil de temperaturas generado cuando se prueba solamente el receptor de cobre. Por lo que de aquí en adelante el estudio teórico y experimental se refiere al receptor de cobre-acero con 2/3 de cobre del espesor total de la pared.

Las figs 5.13 y 5.14 son el resultado de la simulación, y representan la distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared de cada receptor; las líneas están formadas por grupos de tres perfiles de temperaturas (fig 5.9) y la superposición indica que las diferencias de temperatura radiales en la pared del receptor son despreciables. El nodo 1 corresponde a la parte superior y el nodo 11 a la parte inferior de la sección transversal del tubo.

284

Fig 5.13 Distribución circunferencial de temperaturas

Fig 5.14 Perfil de temperaturas en dos receptores bimetálicos

Fig 5.15 Receptor bimetálico de pared cobre-acero

285

La propuesta de usar un tubo bimetálico es con objeto de evitar al máximo el fenómeno de flexión que se presenta en los receptores de los concentradores durante la GDV y en consecuencia la ruptura del tubo envolvente de vidrio. Hasta el momento, lo anterior se ha logrado gracias al alto coeficiente de conductividad térmica del cobre; sin embargo, este material se recuece con el tiempo, pierde sus propiedades mecánicas y además sólo se recomienda usarlo a presiones bajas (17 bar) (Almanza et al, 1997). Por tanto, y como solución al problema de la flexión, se ha construido un receptor bimetálico cobre-acero con el que se logra, por un lado, tener excelente transferencia de calor en el interior del tubo debido a la conductividad térmica del cobre (386 W/m-K), lo que evita altos gradientes de temperatura y, por otro lado, buena resistencia mecánica con el acero para trabajar tanto a baja como a alta presión de vapor.

El tubo bimetálico (fig 5.15) se construyó con dos tubos, uno interno de cobre tipo k para vapor y otro externo de acero galvanizado, el primero entra a alta presión dentro del segundo logrando que entre las superficies externa e interna de los tubos se tenga un excelente contacto mecánico. El tubo cobre-acero fue maquinado para obtener la relación de espesor de la pared, 2/3cobre-1/3acero; el resultado fue un receptor de 3 m de longitud, 31.7 mm de diámetro y 2.6 mm de espesor. Posteriormente se le aplicó una superficie selectiva comercial para aplicaciones en energía solar SOLKOTE Hi/Sorb-II, con emi-sividad del orden de 0.28 a 0.49 y absortividad de 0.88 a 0.94. El transitorio se genera comúnmente en la parte inicial del circuito hidráulico y es por el hecho de estar a menor temperatura el fluido de transferencia de calor (~30°C). Sin embargo, podría haber mayor gradiente de temperaturas en la pared del receptor y, por tanto, se observaría mejor el fenómeno de flexión y sus efectos; por ello, el tubo bimetálico sólo se experimentó en esta zona.

5.3.5 Pruebas experimentales de flexión y distribución de temperaturas en la pared del receptor

Uno de los problemas más delicados que se presentan durante la generación directa de vapor es la flexión en el tubo receptor de los concentradores de canal parabólico en presencia de flujo bifásico y estratificado. Ya se han realizado trabajos de investigación sobre el fenómeno de flexión, principalmente en receptores de acero y de cobre (Almanza et al, 1997) durante el proceso de generación directa de vapor en concentradores de canal parabólico.

286

Fig 5.16 Sistema solar de generación directa de vapor

A partir de estos estudios, se ha establecido que el fenómeno transitorio de flexión ocurre bajo condiciones de cambio de gradientes de temperatura en la superficie del tubo cuando se presenta un patrón de flujo estratificado, el cual conduce a un sobrecalentamiento local de la pared interna del receptor, ya que la distribución de temperaturas en la pared del tubo depende del coeficiente de transferencia de calor de las fases líquida y gaseosa, además del ángulo de humedad (altura del líquido), calidad del vapor y en gran parte del ángulo de incidencia de la irradiancia solar directa, es decir, en la parte inferior o lateral de la superficie exterior del receptor. La incidencia del flujo de calor en la parte lateral del receptor para concentradores de canal parabólico con orientación norte-sur ocurre en las mañanas y en las tardes cuando la altura solar es baja, mientras que con orientación este-oeste ocurre en el solsticio de invierno y en menor grado en el solsticio de verano.

En el IIUNAM, se ha experimentado el fenómeno de flexión del tubo receptor empleando el sistema solar de generación directa de vapor (fig 5.16), con las características y configuración siguientes: Se emplea un sistema de concentración solar de canal parabó-lico situado en una latitud de 19° 22' norte con orientación este-oste; con un concen-trador de 2.5 m de apertura, 14.5 m de longitud y 62.5 cm de distancia focal, con superficie reflejante de papel aluminio con reflejancia cercana a 88 %, de la marca 3M. Los receptores con los que se ha experimentado han sido de acero galvanizado tipo SAE 1020 de 25.4 y 31.7 mm de diámetro, de cobre tipo k para uso industrial de 25.4 mm de diámetro y actualmente con un receptor de pared compuesta cobre-acero de 31.7 mm de diámetro. En la configuración del receptor, éste se encuentra concéntrico a un tubo de vidrio tipo Pyrex que lo envuelve con el propósito de evitar al máximo pérdidas de calor

287

hacia el ambiente. La separación óptima entre superficies externa del receptor e interna del tubo de vidrio es de 2.5 cm y ambos, receptor y envolvente de vidrio, están fijos a la línea focal del concentrador por soportes aproximadamente cada 3 m de distancia.

En las pruebas experimentales se empleó agua a temperatura ambiente como fluido de transferencia de calor, y se registraron las temperaturas en la parte inferior y superior de dicho absorbedor cada 8 s, así como el tiempo en que se flexionaba el tubo a partir de que comenzaba a fluir el agua y la deformación longitudinal y transversal durante el calentamiento del receptor.

Se emplearon termopares tipo K (cromo-aluminio) de bayoneta con resorte, los cuales fueron colocados en la superficie exterior del tubo receptor por medio de un adaptador de abrazadera. Para evitar la influencia del flujo de irradiancia durante la medición de temperatura de la pared del receptor, se aisló la punta de los termopares con material refractario. Se empleó también un flujómetro y un mecanismo de medición de despla-zamiento. El dispositivo para medir la flexión permite registrar el desplazamiento del tubo hacia arriba y hacia abajo, lo cual pudo observarse en los receptores de prueba.

El proceso para llevar a cabo la prueba experimental de flexión del tubo receptor es el siguiente. Se enfoca el tubo absorbedor con respecto a los rayos reflejados por los concentradores de tal forma que el flujo de calor incida en la parte inferior o lateral del receptor horizontal; se logra entonces tener mayor temperatura en cualesquiera de las dos regiones del tubo, según sea conducida la prueba, que en cualquier otro punto en la periferia del mismo. Estas mediciones se hicieron alrededor del medio día.

El tubo receptor se calienta después de ser enfocado sin líquido en su interior y cuando se alcanzan las máximas temperaturas cercanas a los 200oC, se hace circular agua a temperatura estable entre 25 y 35°C, en un intervalo de 0.8 a 1.5 L/min; el objetivo es crear el efecto transitorio por la formación del flujo en dos fases.

El proceso termohidráulico que genera las condiciones para que ocurra el efecto transitorio (flexión en el receptor) es el siguiente. El agua entra al tubo cuando la pared exterior de éste se encuentra entre 200 y 230oC, al primer contacto con la pared del receptor a esta temperatura, el agua forma inmediatamente las dos fases, en la parte inferior en dirección axial circula una capa de agua formando el tipo canal abierto y el resto del área transversal se cubre de vapor (fig 5.17)

288

a) b)

Fig 5.17 Sección transversal del receptor cobre-acero y distribución de la fase líquido y la fase vapor, a) con irradiancia distribuida, b) con irradiancia homogénea

Como anteriormente se explicó, el coeficiente de transferencia de calor es más alto entre la fase líquida y la pared que entre la fase gas y la pared, por tanto, es mayor el enfriamiento en la superficie inferior del receptor, lo que origina una contracción y a la vez la flexión ascendente. Se pensaría entonces que el receptor sólo presenta flexiones hacia arriba, pero con las condiciones de prueba ocurren inestabilidades que propician también la presencia de flexiones hacia abajo.

Cuando el flujo de irradiancia incide en la parte inferior, la temperatura en esta zona es mayor que en la parte superior. Para establecer las condiciones en las cuales lograr el calentamiento lateral del tubo receptor, se conoce que debido al tiempo de operación de los concentradores (20 años), éstos ya han sufrido deformaciones (Martínez et al, 2000), por lo que la región focal se ha dispersado. De esta forma, cuando el haz de luz ilumina la parte lateral del tubo y la temperatura inferior y superior son similares, la incidencia del flujo se considera lateral con una irradiancia uniforme sobre el receptor

5.3.6 Respuesta a la flexión y distribución de temperaturas de los receptores de acero y de cobre-acero

Para establecer la factibilidad técnica de usar el tubo de cobre-acero como receptor en concentradores de canal parabólico en las condiciones presentes durante la GDV, se probó experimentalmente y los resultados fueron comparados con los del receptor de acero bajo las mismas condiciones de operación; flujo másico de agua, temperatura del agua y temperatura de la pared del receptor, principalmente.

En principio, el experimento realizado con el receptor de acero fue fundamental para establecer las condiciones bajo las cuales ocurría el fenómeno de flexión; posterior-

289

mente, se consideró como parámetro de referencia para analizar el comportamiento del receptor de cobre-acero. Las flexiones obtenidas con el tubo de acero en los peores casos fueron hasta de 5 cm ascendente y de 14 mm descendente, en los mejores casos los resultados fueron de 2 cm ascendente y de 5 mm descendente. El valor de las flexiones queda en función de la temperatura de la pared y del flujo másico alimentado.

Algunas observaciones resultantes de las pruebas experimentales y que explican la causa que origina las flexiones ascendente y descendente en el receptor se explican enseguida.

Cuando un segmento del receptor se flexiona, se forma una ondulación lineal en todo el receptor, como lo muestra la fig 5.18, el cual afecta a los segmentos laterales; esto se comprobó colocando mecanismos para registrar la flexión en cada segmento del receptor. Se ha observado que en un tiempo corto de 4 a 7 s después de que el agua hace contacto con el tubo, comienza la flexión, la cual se muestra como un movimiento ondulatorio longitudinal a través del tubo, que tiene mayor valor en la parte central debido a la separación entre soportes. Este movimiento ondulatorio es consecuencia de la diferencia de temperaturas entre la parte inferior y superior del tubo, que se va dando conforme fluye el agua a través de él. El fenómeno se muestra mejor en el tubo de acero que en el bimetálico porque en el primero es más lenta la transferencia de calor; por tanto, permanece más tiempo la diferencia de temperaturas entre la región del tubo en contacto con la fase líquida y la región en contacto con la fase vapor, y se prolonga también el tiempo de deformación.

Una mejor comparación del comportamiento a la flexión es entre el receptor de acero y el bimetálico, ya que para ambos las condiciones de prueba son similares, principal-mente las temperaturas que se alcanzan en la pared de cada receptor. Es de notarse que debido al gran cambio de gradientes de temperaturas en la pared del receptor de acero (véase fig 5.21) es mayor el valor de la flexión, 4.9 cm, que para el segundo, tan sólo de 3.5 mm, y es menos notorio el gradiente de temperaturas (fig 5.23).

Fig 5.18 Flexión del receptor completo

290

Fig 5.19 Flexión de un segmento del receptor

Fig 5.20 Flexión ascendente del receptor

En las pruebas realizadas en el receptor de acero se observó que también ocurría la flexión hacia abajo; sin embargo, no en todas las pruebas sucedió lo mismo. Lo anterior se debió a que en el segmento de pruebas de 3 m puede o no ocurrir la ondulación lineal del receptor, dependiendo de la temperatura de la pared del tubo y del flujo másico de agua que se suministre. Cuando el flujo es de 1 L/min la ondulación se crea en el segmento de pruebas de la forma que describe la fig 5.20; donde la flexión hacia abajo se hace coincidir con el punto donde se registra ésta, es decir, en esta figura se muestra como "punto de medición de la flexión", coincidente con la zona de flexión del receptor hacia abajo. Con pequeños flujos (1 L/min) de agua y la temperatura de la pared del tubo entre 200 y 230oC, con mayor temperatura en la parte inferior que en la superior, sólo permite que se humedezca alrededor de 1/3 del total de la longitud del tubo ya que inmediatamente se presenta la ebullición del agua en contacto con la pared; esto hace que se flexione hacia arriba la parte humedecida y la parte no humedecida siguiente por acción de la primera, tienda a flexionarse hacia abajo. Si el flujo es de 1.5 a 2 L/min, sólo existe la flexión hacia arriba de la forma ilustrada por la fig 5.20, con el mismo valor de temperatura.

La deformación mostrada en la fig 5.19 se presenta en los primeros instantes, posteriormente de manera instantánea cambia a la forma de la fig 5.20.

291

5.3.6.1 Incidencia del flujo de irradiancia solar en la parte inferior del receptor

Para estudiar el comportamiento del receptor bimetálico bajo la acción del flujo de irradiancia solar incidiendo en la parte inferior, se realizaron pruebas experimentales y simulaciones teóricas, considerando parámetros similares en el desarrollo de la fase experimental y teórica respectivamente. Los resultados del comportamiento del receptor bimetálico bajo las inestabilidades transitorias presentes en la GDV se comparan con aquellos obtenidos con las mismas condiciones utilizando el receptor de acero.

El proceso experimental ya se ha descrito anteriormente, bajo el cual fueron estudiados un receptor de acero de 25.4 mm de diámetro y 1.9 mm de espesor de pared, un receptor de acero de 31.7 mm de diámetro y 3.8 mm de espesor de pared, y el receptor bimetálico de cobre-acero de 31.7 mm de diámetro y 2.6 mm de espesor de pared con 2/3 de pared de cobre del espesor total.

Los resultados experimentales muestran que se alcanza mayor gradiente de temperatura en el receptor de acero de 1.9 mm de pared mientras ocurre el transitorio, por tanto, también es mayor la deformación instantánea de este receptor. Aunque el receptor de acero de 3.8 mm de espesor de pared presenta similar gradiente de temperatura que el anterior, la deformación es de menor grado y se debe a la mayor resistencia mecánica que soporta, por ser de espesor mayor, (figs 5.21 y 5.22) en esta comparación. Es notorio entonces en esta primera comparación que la propiedad importante que reduce el grado de deformación instantánea en los receptores de acero, es la resistencia mecánica.

Al observar ahora los resultados del receptor bimetálico, el cual tiene un espesor de tubo de acero (0.8 mm) menor que el absorbedor monometálico (1.9 mm), se muestra un gradiente térmico relativamente pequeño y un valor de deformación también pequeño. La acción del cobre como un difusor de calor provoca que la temperatura se uniforme en la pared del receptor en dirección acimutal evitando con ello una deformación notable a pesar de la formación del patrón de flujo bifásico estratificado, al igual que ocurre en los receptores de acero, siendo ésta la causa principal que da origen a los gradientes térmicos en la pared del receptor, como se ha explicado en párrafos anteriores (véase fig 5.23).

De lo anterior se concluye, que el receptor de pared compuesta resulta el más idóneo para reducir los efectos adversos transitorios en la ebullición del agua durante la generación directa de vapor con bajos flujos másicos.

292

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0 5 10 15 20 25 Tiempo, en sx2

Temperatura, en ºC

Temperatura inferior Temperatura superior Diferencia de temperaturas

CONDICIONES DE PRUEBA

Receptor de acero con espesor de pared de 1.9 mm

Temperatura del agua de alimentación: 36 ºC

Flujo másico de agua: 1.4 kg/min

COMPORTAMIENTO DEL RECEPTOR

Flexión hacia abajo: 1.5 mm a 7 s de comenzar a fluir el agua

Flexión hacia arriba: 4.9 cm a 10 s de comenzar a fluir el agua

Flexión máxima

Comienza a fluir el agua

Fig 5.21 Respuesta térmica y mecánica del receptor de acero de 1.9 mm de espesor de pared, con incidencia de la irradiancia solar en la parte inferior del receptor

225

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 5 10 15 20 25 30 Tiempo, en sx2

Tem

pera

tura

, en

ºC



1. Temperatura del agua de alimentación: 30 ºC 2. Flujo másico de agua: 1.5 kg/min


1. Flexión hacia abajo: 5 mm

2. Flexión hacia arriba: 3 cm, a 20 s de comenzar a fluir el agua

comienza a fluir el agua

Flexión máxima

Fig 5.22 Respuesta térmica y mecánica del receptor de acero de 3.8 mm de espesor de pared, con incidencia de la irradiancia solar en la parte inferior del receptor

293

0 20 40 60 80

100 120 140 160 180 200 220

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Tiempo, en sx2

Tem

pera

tura

, en

ºC



2. Temperatura del agua de alimentación: 20 °C3. Flujo másico: 1.5 l/min

FLEXIÓN DEL RECEPTOR Cu-Fe Flexión hacia abajo: 3.5 mm a 5.7 s de comenzar el flujo de agua

comienza a fluir el agua

Inicia la flexiónFlexión máxima

Flexión hacia arriba: 8 mm a 15 s de comenzar a fluir el agua

1. Receptor de Cu-Fe de 2.6 mm de espesor de pared

Fig 5.23 Respuesta térmica y mecánica del receptor de pared compuesta Cu-Fe, con

Una variante importante en las pruebas para analizar el comportamiento térmico y mecánico del receptor bimetálico con flujos bifásicos estratificados es cuando la

xplicado

y 5.25; asimismo, se presenta el comportamiento del receptor de acero

incidencia de la irradiancia solar en la parte inferior del receptor

5.3.6.2 Incidencia del flujo de irradiancia solar en la parte lateral del receptor

irradiancia solar incide en la parte lateral del receptor, que, como se ha eanteriormente, ocurre en el solsticio de invierno y en menor grado en el de verano, en el sitio y orientación donde se encuentra instalado el sistema solar empleado para la fase experimental.

Los resultados de las pruebas experimentales que reflejan el buen comportamiento del receptor compuesto cobre-acero a la deformación transitoria, se muestran en las gráficas de las figs 5.24(fig 5.26) como referencia para el receptor de pared compuesta. Igualmente, se emplea el modelo matemático para determinar las temperaturas en la pared del receptor y predecir su comportamiento térmico; se hacen coincidir los parámetros para las pruebas experimentales y los empleados en la simulación teórica (estos se describen en el apartado de pruebas experimentales).

294

-50

0

50

100

150

200

250

Tiempo, en s

Tem

pera

tura

, en

ºC



1. Receptor Cu-Fe, con 2.6 mm de espesor de pared2. Temperatura del agua de alimentación: 35 °C3. Flujo másico de agua: 1.5 kg/min

COMPORTAMIENTO DEL RECEPTOR Cu-Fe

1. Flexión hacia arriba, 5 mm a 4':20" de comenzar a fluir el agua

Flexión hacia arriba

0 80 120 200 280 360 400 480

2. Flexión hacia abajo :1.5 mm a 4´40" de comenzar a fluir el agua

Comienza a fliur el agua

Fig 5.24 Temperaturas experimentales en la pared del receptor Cu-Fe, con incidencia lateral de irradiancia solar

Temperaturas experimentales en la pared del receptor Cu-Fe, con incidencia lateral de irradiancia solar

-25

0

25

50

75

100

125

150

0 10 20 30 40 50 60 70

Tiempo, en sx6

Tem

pera

tura

, en

ºC



1. La prueba se realizó en el último segmento del tubo absorbedor2. Temperatura del agua de alimentación: 28 °C

3. Flujo másico de agua: 1.5 kg/min

1. Flexión hacia abajo: 1 mm a 3´:43" de comenzar a fluir el agua

COMPORTAMIENTO DEL RECEPTOR Cu- Fe

2. Flexión hacia arriba: 6 mm a 4´:17" de comenzar a fluir el agua

175

225

200comienza a fluir el agua Flexión hacia arriba

Fig 5.25

295

-50 -25

0

25 50 75

100 125 150 175 200 225 250

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 Tiempo, en sx2

Tem

pera

tura

, en

ºC


CONDICIONES DE PRUEBA 1. Temperatura del agua de alimentación: 35 °C 2. Flujo másico de agua: 1.3 kg/min


1. Flexión hacia abajo :2 mm a 8 s de comenzar a fluir el agua2. Flexión hacia arriba: 4.5 cm a 16 s de comenzar a fluir el agua

Flexión máxima

comienzaia a fluir el agua

Fig 5.26 acero con incidencia lateral de la irradiancia solar

la gráfica stra una máxima diferencia de temperaturas de 29.8°C, mientras en el resultado experimental se obtiene una diferencia de temperaturas

r de la pared del receptor. La misma comparación anterior se hace para el receptor de pared compuesta Cu-Fe, donde se logra que la diferencia de temperaturas generada por

Temperaturas del receptor de

Simulando la distribución de temperaturas en la pared del receptor de acero, se generó de la fig 5.27, la cual mue

de 24°C (fig 5.26); ambas corresponden a la diferencia entre la parte superior e inferio

simulación sea de entre 10°C y 13.5°C, (fig 5.29), mientras que en los resultados experimentales los gradientes térmicos oscilan alrededor de 8.7°C (figs 5.24 y 5.25). Al igual que para el acero, los resultados teóricos del receptor Cu-Fe presentan mayores gradientes térmicos que en los resultados experimentales. En las figs 5.27 y 5.29, el nodo 1 corresponde a la parte superior y el 11 a la parte inferior. La diferencia para el receptor de acero y para el receptor de Cu-Fe entre los resultados de simulación y los experimentales, se atribuye principalmente a que durante el calentamiento no se logra realmente un flujo de calor uniforme en la pared del tubo; así mismo, las pérdidas de calor hacia el ambiente no son estables, mientras que en el modelo matemático todos los parámetros se consideran estables.

296

232.2 235.0

236.2 235.6

233.4

229.5227.6

225

230

235

240

Receptor de acero, 1.9 mm de espesor de pared Irradiancia con incidencia lateral

Flujo másico = 78 kg/h

CONDICIONES DE SIMULACIÓN

2

223.8

216.3

207.3

203.8202.4201.6

200.2200.0

200.4202.0

204.4

207.4 211.2

215.7

221.2

195

200

205

210

215

220

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C

Irradiancia directa = 700 W/m

Fig 5.27 Distribución de temperaturas en la pared del receptor de acero

180

190

0

0

230

2401

2

3

5

6

7

8

9

10

1112

13

14

15

16

17

18

19

21

22

Nodos

°C

°C

Fig 5.28 Representación polar de la fig 5.27

220 420

21

20

297

214.2214.7214.9214.6

214.0

212.9

211.5

209.6

207.3

205.8

204.7

204.0203.3203.4

204.0

205.2

206.5

207.8

209.1

210.4

211.7

213.2

202

204

206

208

210

212

214

216

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Receptor cobre-fierro con 2.6 mm de espesor de paredIrradiancia con incidencia lateralFlujo másico: 84 kg/h

Irradiancia directa = 700

298

Fig 5.29 Distribución de temperaturas en la pared del receptor Cu-Fe

Debido a la configuración geométrica que adopta el flujo bifásico a través del tubo y el flujo de irradiancia solar incidente en la pared del mismo (fig 5.9), las temperaturas mayor y menor no están en la parte superior e inferior, sino que la mayor se da donde existe la combinación de máximo calentamiento y menor coeficiente convectivo entre el fluido y la pared, y la menor donde existe la combinación de menor calentamiento y mayor coeficiente convectivo, respectivamente. Es decir, de acuerdo con la gráfica obtenida por el modelo matemático correspondiente a la distribución de temperaturas en la pared del receptor (fig 5.28, representación polar), la máxima temperatura se logra en la región donde hay flujo de irradiancia solar en la superficie exterior del receptor y en la superficie interna se tiene mínima transferencia de calor entre la fase vapor y la pared del receptor. De la misma forma, la mínima temperatura se obtiene en la región donde no hay incidencia de irradiancia solar, y en la superficie interna se tiene un alto coeficiente convectivo entre la fase líquida y la pared del receptor. En la gráfica de la fig 5.29, estas zonas corresponden a los nodos 3, 4 y 13, 14 respectivamente.

Por otro erencia de temperaturas ocurre cuando se forma el flujo bifásico, que se presenta como una

lado, en las gráficas resultantes de pruebas experimentales, la mayor dif

desviación de la temperatura inferior, por el enfriamiento de la pared con la fase líquida.

214.2214.7214.9214.6

214.0

212.9

211.5

209.6

207.3

205.8

204.7

204.0203.3203.4

204.0

205.2

206.5

207.8

209.1

210.4

211.7

213.2

202

204

206

208

210

212

214

216

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Receptor cobre-fierro con 2.6 mm de espesor de paredIrradiancia con incidencia lateralFlujo másico: 84 kg/h

Irradiancia directa = 700

205.3 205.5 206.3

207.6

209.4

211.7212.2

210.7

207.1

205.5

204.8204.5204.8

205.5

207.1

210.7

212.2211.7

209.4

207.6

206.3 205.5

202

204

206

208

210

212

214

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Sin cubierta de vidrio

Irradiancia homogénea en la parte inferior

Fig 5.30 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, m& = 78 kg/h, G = 700 W/m

A partir de resultados obtenidos teóricamente, se complementa el análisis del compor-

tamiento del receptor de acero con base en la distribución de temperaturas acimutal en la

pared del receptor. Las gráficas que se presentan en las figs 5.30 a 5.37 son generadas

con los mismos valores de entrada para compararlas. Las variantes consideradas son las

siguientes: 1) el ángulo de incidencia de la irradiancia solar, en la parte inferior y en la

parte lateral, 2) distribución de la irradiancia solar en la pared del receptor, homogénea

o distribuida en la superficie exterior (véase fig 5.17a y b), y 3) con o sin cubierta de

vidrio que envuelve al receptor.

2

-

20454°C

Cuando la irradiancia incide en la parte inferior del receptor, el mayor gradiente térmico

se alcanza con cubierta de vidrio e irradiancia distribuida, entre la zona más caliente y la

más fría, 226.88 - 208.83°C = 18°C (fig 5.35); mientras que el menor gradiente térmico

se logra en el receptor con irradiancia homogénea y sin cubierta de vidrio, 212.176

= 7.64°C (fig 5.30).

299

212

214

216

220

Tm

per

ura,

e °

C


Irradiancia distribuida en la parte inferior

206

210

218

Nodos

eat

nSin cubierta de vidrio

208

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Fig 5.31 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = 78 kg/h, G = 700 W/m2 m&

195 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Nodos

232.1 236.1

238.3 238.6 237.1

233.7

228.5

221.4

212.1

207.6

205.2203.5

201.7201.1201.7203.6

206.0

208.9 212.4

216.5

221.1

226.3

200

205

210

215

220

225

230

235

240

245

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia homogénea lateral

Sin cubierta de vidrio

Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de

Fig 5.32 acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = 78 kg/h, G = 700 W/m2 m&

300

301

Fa =

Fig 5.34 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = kg/h, G = 700 W/m2

ig 5.33 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de ceroD = 25 mm, L = 1.9 mm, m& 78 kg/h, G = 700 W/m2

225.

9

225.

9

226.

1

226.

3

226.

6

226.

9

225.

4

221.

0

213.

4

210.

3

209.

2

208.

8

209.

2 210.

3

213.

4

221.

0

225.

4 226.

9

226.

6

226.

3

226.

122

5.9

206

208

210

212

214

216

218

220

222

224

226

228

230

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Irradiancia distribuida en la parte Con cubierta de vidrio

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Irradiancia distribuida lateralSin cubierta de vidrio

m&

204

206

208

210

212

214

216

218

220

222

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia homogénea en la parte inferior

Con cubierta de vidrio

Fig 5.35 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = 78 kg/h, G = 700 W/m2 m&

234.9 237.4 238.4 237.9

235.7

232.0

226.6

219.7

210.7

206.7

204.6203.3

202.3202.4203.9

207.7

211.4

215.1 218.9

222.8

226.7

230.8

200

205

210

215

220

225

230

235

240

245

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia homogénea en la parte lateral


Fig 5.36 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de

acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = 78 kg/h, G = 700 W/mm& 2

302

259.2 264.5

267.1 267.1 264.3

258.3

248.5

235.5

219.0

211.2206.7

204.0203.0

203.6206.3

212.8

219.1

225.5 232.0

238.6 245.3 252.2

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Irradiancia distribuida en la parte lateralCon cubierta de vidrio

Fig 5.37 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor de

acero D = 25 mm, L = 1.9 mm, = 78 kg/h, G = 700 W/m2 m&

204

205

206

207

208

209

210

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C

CONDICONES DE SIMULACIÓN

Receptor de pared compuesta Cu-Fe

Irradiancia = 700 W/m2


Irradiancia con incidencia en la parte inferior del receptor

Fig 5.38a Distribución de temperaturas en la pared del receptor Cu-Fe, con

irradiancia homogénea de acuerdo con la fig 5.17

303

207

208

209

210

211

212

213

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Receptor de pared compuesta Cu-FeIrradiancia con incidencia en la parte inferior de receptor



Fig 5.38b Distribución de temperaturas en la pared del receptor Cu-Fe,con irradiancia distribuida de acuerdo con la fig 5.17

Cuando el análisis se hace con cubierta de vidrio, esto indica que la región donde no hay

incidencia de irradiancia solar en la pared del receptor se considera zona adiabática, y

cuando se analiza sin cubierta de vidrio, indica que la región donde no hay incidencia de

irradiancia solar se considera zona con transferencia de calor entre el tubo receptor y el

aire ambiente, es decir, existen pérdidas térmicas hacia el ambiente. Las figs 5.38a y b, y

5.39a y b muestran notoriamente esto último, ya que en los primeros y últimos nodos

correspondientes a la parte superior del receptor la temperatura cae como consecuencia

de las pérdidas de calor de esta región de la pared hacia el aire ambiente.

Cuando la irradiancia incide en la parte lateral, el mayor gradiente térmico en la pared

del receptor se logra con cubierta de vidrio e irradiancia distribuida, siendo su valor de

267.12 - 203.01°C = 64.1°C entre la región más caliente y la más fría (fig 5.37). El

menor gradiente térmico ocurre con irradiancia homogénea y con cubierta de vidrio, con

238.44 - 202.25°C = 36.19°C (fig 5.36), aunque no difiere mucho de cuando el receptor

se analiza sin cubierta, y el gradiente es de 238.61 - 201.14°C = 37.47°C (fig 5.32).

304

Fig 5.39a Distribución de temperaturas en la pared del receptor Cu-Fe, con irradiancia distribuida de acuerdo con la fig 5.8

206

208

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Tem

pur

°

Irradiancia con incidencia lateral

2

210

212

214

216

erat

a, e

nC


Receptor Cu-Fe con 2.6 mm de espesor de pared

Flujo másico: 84 kg/h

Irradiancia directa = 700 W/m

202

204

Nodos

Fig 5.39b Distribución de temperaturas en la pared del receptor Cu-Fe, con irradiancia homogénea de acuerdo con la fig 5.8

202

204

206

208

210

212

214

216

218

220

222

224

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Receptor Cu-Fe con 2.6 mm de espesor de paredIrradiancia con incidencia lateral



305

En cuanto a la diferencia radial de temperaturas, el mayor gradiente se presenta cuando la irradiancia solar es distribuida e incide en dirección lateral, y corresponde a la zona donde se encuentra la parte más delgada de la película del líquido en la pared interna y en la externa incide el mayor porcentaje de irradiancia; este gradiente se ha considerado

reciable ya que en los peores casos el máximo valor asciende sólo a 1.23°C; específicamente este valor corresponde al nodo 9 de la fig 5.37, con las condiciones de

ulación ahí indicadas, donde puede notarse que la línea de la gráfica se hace mdensa por la diferencia radial de temperaturas.

En líneas anteriores se ha dado la explicación de porqué en ciertas zonas de la pared del receptor en dirección acimutal se logra mayor temperatura que en otras. Lo anterior es básico para proponer la sustitución del receptor de acero por el de pared comcobre-acero, cuyo análisis se dará más adelante.

Ya que el receptor de pared compuesta Cu-Fe es una propuesta para eliminar o reducir

desp

sim ás

puesta

al máxi co estratificado durante la GDV, se hace una comparación entre los resultados del compor-tamiento del receptor bimetálico con incidencia de la irradiancia solar en la parte inferior y aquellos cuando la irradiancia incide en la parte lateral del mismo, siendo las dos variantes del ángulo de incidencia solar que ocurren en el transcurso del año. Se parte de resultados teóricos y experimentales, y se tiene que para el primer caso, tanto los gradientes de temperatura como el valor de deformación son más bajos que para el segundo caso, en la que es más notorio el cambio de gradiente durante el transitorio y de mayor valor la deformación del receptor. Comparando las figs 5.23 y 5.24 puede corroborarse la aseveración anterior; dichas figuras se generan experimentalmente bajo condiciones similares de temperatura de pared del receptor y flujo de agua. Los resultados teóricamente obtenidos también demuestran lo dicho anteriormente al hacer la comparación entre las gráficas de las figs 5.38a y b y 5.39a y b; ambas fueron generadas bajo las mismas condiciones excepto el ángulo de incidencia de la irradiancia solar; que para la primera fue en la parte inferior y para la segunda en la parte lateral del receptor.

Es obv la diferencia de temp o incide en la zona

mo los efectos transitorios causados por la formación repentina del flujo bifási

io que cuando la irradiancia solar incide en la parte inferior del receptor eraturas es menor, ya que la mayor parte del fluj

306

donde internamente existe líquido en contacto con la pared y éste absorbe la energía recibida. Para cuando la irradiancia incide de forma lateral en la pared del receptor, sólo una fracción de ésta tiene contacto con la fase líquida internamente, la otra parte incide en la región donde la fase vapor existe y la transferencia de calor es muy pobre, por lo que se genera así un mayor gradiente térmico. Por tanto, el efecto de un transitorio es más drástico para el receptor cuando la irradiancia solar directa incide en dirección lateral en la pared del receptor que cuando incide en la parte inferior, durante la generación directa de vapor con flujos másicos de agua relativamente pequeños.

pared cobre-acero con las variantes principales presentes durante el proceso de generación directa de vapor.

Con respecto a los gradientes térmicos en dirección radial, éstos se consideran

Las gráficas que a continuación se presentan son resultados de simulaciones en condiciones similares a aquellas obtenidas para el receptor de acero (figs 5.40 a 5.47), con objeto de comparar la respuesta a los efectos transitorios entre un receptor y otro, y reforzar la propuesta de usar el receptor de

Se sabe que al usar el receptor de pared cobre-acero se disminuye en gran medida el gradiente térmico comparado con el receptor de acero; la mayor diferencia de temperaturas para el receptor cobre-acero se obtiene cuando la irradiancia es distribuida e incide en dirección lateral, siendo el valor de 226.05 - 208.726°C = 17.326°C en dirección acimutal entre la región más caliente y la más fría. El menor gradiente térmico se obtiene cuando la irradiancia directa es homogénea e incide en la parte inferior del receptor, con un valor de 208.73°C - 206.8°C = 2°C.

Al comparar los gradientes térmicos anteriores con los resultados experimentales, el valor de la flexión del receptor bimetálico durante un transitorio correspondería para un ∆T = 17.326oC entre 3 y 5 mm de flexión, lo cual prácticamente eliminaría el problema de ruptura del tubo de vidrio que envuelve al receptor.

Por otro lado, teóricamente se comprueba que la peor condición durante el proceso de generación directa de vapor, es cuando la irradiancia solar directa incide en dirección lateral en la pared del receptor.

despreciables, ya que los máximos valores ascienden a 1°C en los peores casos.

307

206.5

207

207.5

20 21 22 Nodos

Te

a,°

208

208.5

209

209.5

emp

ratu

r e

n C


Irradiancia homogénea, en la parte inferior del receptor Sin cubierta de vidrio

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2 Fig 5.40 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor

Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, m& = 78 kg/h y G = 700 W/m

213.5

214.5CONDICIONES DE SIMULACIÓN

Irradiancia distribuida en la parte inferior del receptor Sin cubierta de vidrio

211

212

213

214

eat

en

212.5

Tm

per

ura,

°C

211.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Fig 5.41 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del recep

tor Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, = 78 kg/h y G = 700 W/m2 m&

308

Fig 5.42 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, m& = 78 kg/h y G = 700 W/m2

204 206 208 210 212 214 216 218 220 222 224 226

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia distribuida en la parte lateral del receptor Sin cubierta de vidrio

Fig 5.43 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor

Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, = 78 kg/h y G = 700 W/m2

202

204

206

208

210

212

214

216

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

ºC


Irradiancia homogénea en la parte lateral del receptor Sin cubierta de vidrio

m&

309

208

209

210

211

212

213

214

215

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia homogénea en la parte inferior del receptor


Fig 5.44 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, = 78 kg/h y G = 700 W/m2 m&

213

214

215

216

217

218

219

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia distribuida en la parte inferior del receptor


Fig 5.45 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, m& = 78 kg/h y G = 700 W/m2

310

204

206

208

210

212

214

216

218

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Nodos

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia homogénea en la parte lateral del receptor Con cubierta de vidrio

Fig 5.46 Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor

Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, = 78 kg/h y G = 700 W/m2 m&

206

208

210

212

214

216

218

220

222

224

226

228

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Tem

pera

tura

, en

°C


Irradiancia distribuida en la parte lateral del receptor Con cubierta de vidrio

5.47Nodos

Distribución de temperaturas acimutal y radial en la pared del receptor Fig Cu-Fe, D = 31.7 mm, L = 2.6 mm, = 78 kg/h y G = 700 W/m2 m&

311

5.3.7 Conclusiones y recomendaciones de esta sección

La flexión del receptor se debe a una rápida contracción axial de una parte del tubo con respecto a otra bajo la presencia de un flujo bifásico estratificado.

Los cambios de temperatura en el receptor de acero son más notorios que en el bimetálico, lo que se traduce en mayor flexión para el primero que para el segundo.

El modelo matemático ha mostrado confiabilidad dentro del intervalo de variación de los parámetros de entrada, para la operación de las plantas solares de generación directa de vapor de baja potencia; así también, la comparación de la curva de distribución de temperaturas generada por Goebel, 1999, contra la curva generada por el modelo matemático concuerdan ampliamente tanto por la tendencia que describen como por los resultados que se obtienen en las dos gráficas.

De la experiencia experimental bajo diferentes condiciones de trabajo, el tubo bim el tubo de vidrio envolvente. Puede concluirse que el absorbedor bimetálico tiene mucho mejor comportamiento que el acero para las condiciones de operación durante la GDV.

Experimentalmente, se observó que al aumentar el espesor de la pared de 1.9 a 3.8 mm también aumenta la resistencia mecánica a la deformación y, en consecuencia, a la flexión del tubo receptor. No obstante, aunque se disminuye el grado de deformación, el gradiente térmico se mantiene lo suficiente para generarle la flexión al receptor y crear la ruptura del vidrio. Al comparar la flexión que se obtiene con la del receptor de pared bimetálica con espesor de 31.7 mm, ésta es de cuatro a seis veces menor.

Se ha explicado que el efecto de la formación del flujo bifásico y estratificado es más evidente en el primer segmento del receptor, como consecuencia de la temperatura que por calentamiento se ha alcanzado en la pared (∼200°C) y de la temperatura del agua de alimentación (∼30°C), el choque térmico ahí es muy grande; por lo que a partir de observaciones de pruebas experimentales se propone colocar segmentos bimetálicos en las primeras secciones del receptor, ya que las inestabilidades más pronunciadas ocurren en estas regiones y se reducen por las propiedades de los dos materiales. Así que, cua n-tamiento que dos fases sean menores.

etálico se considera el adecuado para evitar flexiones que provoquen la ruptura d

ndo el flujo en dos fases llega al siguiente segmento, ya ha tenido un precale contribuye a que tanto el choque térmico como el efecto de las

312

Por tanto, se recomienda que durante el proceso de generación directa de vapor se trabaje con velocidades de la fase líquida y de la fase vapor de manera que el patrón de

a que éstos permiten

del receptor. Sin embargo, estas condiciones sólo se pueden cumplir en grandes plantas

encia de nubes por tiempos cortos o prolongados, así como el estudio experimental del comportamiento térmico y mecánico

5.4 Eficiencia en producción de electricidad en una planta termosolar por medio de

l absorbedor y

flujo se mantenga fuera del régimen estratificado. Los flujos anular, intermitente y de burbuja serían los deseables para trabajar en el proceso GDV, yhumedecer de forma eficiente la pared del receptor, lo que evita altos gradientes de temperatura y en consecuencia minimiza los esfuerzos térmicos y la flexión

termosolares como las SEGS, las cuales manejan flujos muy altos para generación de electricidad de 30 a 80MWe. En plantas de baja potencia, como ya se mencionó, los flujos son bajos y no hay manera de evitar la estratificación.

Aún se continuará con pruebas experimentales considerando algunas variantes en la operación de la planta solar, como la pres

del acero, con diferentes alternativas en la generación de vapor, con flujos pequeños, tubo lleno de agua durante el calentamiento etc, para conocer con detalle el comporta-miento en estado estacionario.

generación directa de vapor (GDV)

5.4.1 Antecedentes

En 1976, en el IIUNAM (Almanza y Muñoz, 1994), se comenzó un programa para estudiar un concentrador de canal parabólico, que consistía en un canal de 6 m de largo por 2 m de apertura. En esa época el vapor se generaba directamente en eera enviado a un motor de pistones de vapor de 125 W (Stuart Sirius); la eficiencia solar-mecánica fue de alrededor del 2 %, con una irradiancia de 700 W/m2 por cuatro horas aproximadamente.

Posteriormente, se construyó la Planta Solar del Instituto de Ingeniería con 550 m2 de concentradores, ubicados en la parte posterior del Jardín Botánico Exterior, en Ciudad Universitaria. Dicha planta cuenta con 16 módulos de concentradores de canal parabólico con orientación este-oeste; tiene además una torre de almacenamiento de aceite, un evaporador y equipo auxiliar. El aceite (bonfil) circulaba a través de los tubos absorbedores de los concentradores solares, se calentaba y mediante un intercambiador

313

de calor se producía vapor de manera indirecta, que después era enviado a un motor de pistones acoplado a un generador eléctrico formando un ciclo Rankine.

En esta sección, se hace un estudio de la eficiencia global del sistema de GDV en cuanto a la conversión de energía solar-electricidad en un ciclo Rankine abierto. Además se determina la eficiencia de los principales componentes de la planta, como el generador de vapor solar, el motor de pistones de vapor y el alternador eléctrico. Una versión preliminar aparece en Almanza y Lentz (1998).

5.4.2 Eficiencias ciclo Rankine

Gran parte de la electricidad generada comercialmente se obtiene mediante el uso de

ntrópica en una bomba Proceso 1-2 Suministro de calor a presión constante en una caldera

Proc n constante en un condensador

Para pasar del estado 4 al 1, una bomba comprime isoentrópicamente el líquido que sale del condensador hasta que alcanza la presión necesaria para que entre a la caldera; para pasar del estado 1 al 2, la caldera suministra energía a presión constante hasta que el agua se evapora completamente a vapor saturado o sobrecalentado; en el proceso 2-3, el

plantas generadoras de vapor que operan según el ciclo Rankine.

El ciclo termodinámico básico se representa en un diagrama temperatura-entropía, en la fig 5.48, donde se ubican los siguientes procesos:

Proceso 4-1 Compresión isoe

Proceso 2-3 Expansión isoentrópica en una turbina eso 3-4 Extracción de calor a presió

a) b)

Fig 5.48 Ciclo Rankine: a) componentes, b) diagrama T-s

314

Calor suministrado por la caldera

Calor suministrado por la caldera

(h -h )

-4, hasta que se obtiene líquido en el punto 4, que cierra el ciclo.

ones presenta mejor desempeño con el flujo, presión y temperatura del vapor producido por el campo de concentradores.

ideal se utiliza como patrón y representa el máximo

otor ideal (expansión isoentrópica) entre la energía que suministra la caldera (concentrador solar).

ηciclo Rankine ideal (5.24)

vapor se expande isoentrópicamente en una turbina hasta el estado 3; luego el vapor húmedo sale de la turbina y se condensa a presión constante, proceso 3

El calor suministrado en el proceso 1-2 puede provenir de combustibles convencionales, de una fuente solar o de un reactor nuclear En este caso, la caldera es el concentradorsolar, el cual va a generar vapor. En el proceso de expansión 2-3 se utiliza un motor de pistones en lugar de la turbina, ya que el motor de pist

La eficiencia del ciclo Rankineteórico que puede conseguirse con una determinada combinación de caldera-motor de vapor; se obtiene al dividir el trabajo neto producido por un m

Eficiencia del ciclo Rankine ideal = Trabajo neto producido en una expansión isoentrópica

(h2- h3) – (h1 – h4)

2 1

Eficiencia del ciclo Rankine real =

(h2 – h3´) – (h1´ – h4)

ηciclo Rankine real = (5.25)

=

Trabajo neto producido en el interior de la máquina en una expansión real

(h2 – h1´)

ηciclo Rankine real =

(ηinterna motor )(Wmotor ideal )-(Wbomba ideal/ηinterna bomba) (5.26)

2 1m& (h -h ')

315

En caso de que el trabajo de la bomba sea despreciable (h1´ = h1 = h4, fig 5.48 b)

(Potencia al frenoηciclo Rankine real = (5.27)

onde

Flujo de vapor (kg/h)

ms Consumo específico de vapor (kg/kWh)

Por tanto, la ec 5.27 se convierte en


donde

3 600 equivalente térmico de un kWh h2 entalpía del vapor a la entrada del motor (kJ/kg) h4 entalpía del agua a la entrada del concentrador (kJ/kg)

5.4.3 Eficiencia en la producción de vapor en el concentrador de canal parabólico

Para determinar la eficiencia con la que el concentrador convierte la energía solar en energía térmica (v r) se utili ecuaci

onde

Flujo de vapor (kg/h)

ms Consumo específico de vapor (kg/kWh)

Por tanto, la ec 5.27 se convierte en


donde

3 600 equivalente térmico de un kWh h2 entalpía del vapor a la entrada del motor (kJ/kg) h4 entalpía del agua a la entrada del concentrador (kJ/kg)

5.4.3 Eficiencia en la producción de vapor en el concentrador de canal parabólico

Para determinar la eficiencia con la que el concentrador convierte la energía solar en energía térmica (v r) se utili ecuaci

donde ηmec motor es eficiencia mecánica del motor de vapor.

El consumo específico de vapor (ms) es la cantidad de vapor en kilogramos, que

m&

tor es eficiencia mecánica del motor de vapor.

El consumo específico de vapor (ms) es la cantidad de vapor en kilogramos, que

m& (h2 – h4 )

necesita el motor para producir un kW-hora (Burghardt, 1984); este valor puede referirse a la potencia al freno de la siguiente manera:

ms = m& /P (5.28)

necesita el motor para producir un kW-hora (Burghardt, 1984); este valor puede referirse a la potencia al freno de la siguiente manera:

ms = m& /P (5.28)

dd

m& m& P Potencia al freno (kW) P Potencia al freno (kW)

)/ηmec motor

00

ms (h2-h4 ) ηmec motor

3 6

apo za la ón apo za la ón

316

(h2 – h3)

(h2 – h3´)

Potencia al freno

interior de la máquina, en una expansión real

m ( h – h ´)

m (h – h ) η 3 600

ηconcentrador ad

u AGavv )hh(m −

=&

η

Potencia desarrollada por el vapor en el

2 3

s 2 3 m

ec motor

(5.30)

donde

flujo de vapor generado (kg/s)

ha entalpía del agua de alimentación (kJ/kg)

.4.4 Eficiencias del motor de pistone p

La eficiencia interna se define como

ηinterna motor = (5.31)

ηinterna motor = (5.32)

Eficiencia mecánica del motor =

ηmec motor = (5.33)

ajo (o potencia) producido por el vapor en el rior de la máquina, en una expansión real

vm&

hv entalpía del vapor (kJ/kg)

Gb irradiancia directa proyectada en el plano de captación (kW/m) Ae área efectiva de concentradores (m2)

5 s de va or

Eficiencia interna = inte

Trab

Trabajo (o potenc

Potencia al freno

ia) producido por el vapor en una expansión isoentrópica

317

318

Eficiencia global del motor =

ηglobal motor = (5.34)

Freno de Prony

La potencia al freno en el caso de motores relativamente pequeños se determina mediante el freno de Prony.

El freno consiste de un fleje portador de una serie de bloques de madera que rodean al volante del motor, o a una polea montada en el eje de dicho motor y unida al mismo; los bloques se hallan en contacto con la superficie de la polea. El fleje, puede tensarse o aflojarse sobre dicha polea por medio de un tornillo ajustado a mano (fig 5.49).

La distancia horizontal (r), medida desde C hasta el centro del eje del motor es la longitud del brazo del freno. El freno de Prony es un aparato de fricción y el trabajo desarrollado en la polea se disipa en forma de calor, por tanto, es preciso tomar las debidas precauciones para refrigerarla (Severns et al, 1954).

Fig 5.49 Freno de Prony

= (ηinterna motor)(ηmec motor) (5.34) m (h2 – h3)

Potencia producida por el vapor en una expansión isoentrópica

Potencia al freno

Potencia al freno

319

1. Pérdidas en el cobre del rotor y del estator (I R) 2. Pérdidas en el núcleo 3. Pérdidas mecánicas 4. Pérdidas adicionales

Las pérdidas en el cobre de una máquina de CA son las pérdidas por calentamidebidas a la resistencia de los conductores del rotor y del estator (Chapman, 1987).

Debido a que el trabajo (W) se define como el producto de una fuerza por la distancia a lo largo de la cual actúa la fuerza, el trabajo absorbido por un freno de Prony en cada vuelta de la polea será

W = 2πrf (5.35)

donde

f fuerza neta registrada por la báscula (kg).

r longitud del brazo del freno, en metros

2πr distancia en metros que recorrería el punto C en cada revolución si no hubiese deslizamiento en el freno

Si se conoce el número de revoluciones de la polea por unidad de tiempo, se puede calcular la velocidad a la que se produce el trabajo, o sea la potencia

rfNmkgfπ2

minPotencia =

− (5.36)

897376118

2Potencia.

rfN.

rfN)kW( ==π (5.37)

donde N es revoluciones por minuto en la polea.

5.4.5 Eficiencia en el generador de corriente alterna o alternador

Las pérdidas de energía en un generador de corriente alterna (CA) se clasifican de la siguiente manera:

2

ento

Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción en los rodamientos y con el aire, y las pérdidas en el núcleo a la histéresis y a las corrientes parásitas. Con frecuencia, estas pérdidas se toman en grupo y se les llama pérdidas de vacío o pérdidas rotacionales de la máquina.

Las pérdidas adicionales son todas aquellas pérdidas que no se pueden clasificar en de las categorías descritas anteriormente. Por convención se supone que son

uales a máquina.

na es la relación entre la potencia

ternador = Psal/Pent (5.38)

Finalmente, la eficiencia total del sistema (concentrador-motor de vapor-alternador), es el cociente que resulta de dividir la energía eléctrica generada entre la energía suministrada por el Sol.

ηglobal de la planta = potencia eléctrica/G

Otra forma de calcular la eficiencia solar-electricidad es

ηglobal de la planta = (ηconcentrador)(ηciclo Rankine real)(ηmec motor)(ηalternador) (5.40)

5.4.7 Desarrollo experimental

del concentrador solar como productor de vapor

El de se genera vapor directamente; éstos concentran la radiación solar y transfieren calor al agua que fluye en el interior de los

Las variables que intervienen para el estudio de la eficiencia son

ningunaig l uno por ciento de la potencia de salida de la

La eficiencia de un generador de corriente altereléctrica útil de salida y la potencia mecánica total de entrada

ηal

5.4.6 Eficiencia global de la planta (eficiencia de conversión de la energía solar en electricidad)

b Ae (5.39)

5.4.7.1 Eficiencia

campo de concentradores de canal parabólico es don

tubos absorbedores.

• La irradiancia solar directa (W/m2) • La temperatura del fluido (agua) a la entrada y a la salida (ºC)

320

• La presión del fluido (kg/cm2) • El flujo de másico de agua a través de los tubos absorbedores (kg/h)

Se debe conocer de manera real qué cantidad de energía se recibe en forma de irradiancia y qué cantidad se transforma en calor; lo que se necesita es determinar

ptación real, que es el área del espejo instalado menos las partes dañadas o con sombra.

asto, la temperatura y la presión con la que entra el agua. Es necesario conocer estas mismas variables en el vapor de salida para obtener la energ s el concentrador; con las condicio-

ía.

Para lograr la eficiencia del generador de vapor (campo de concentradores), se debe

Para obtener mediciones confiables del flujo de vapor, se condensó éste en una probeta

nivel del líquido, en intervalos que iban desde 30 a 60 s. Los resultados se compararon do en la entrada del campo de

oncentrador s.

Los resultados que se muestran a continuación se obtuvieron alrededor del medio día nto y cielo despejado.

Agua entrada, ha Vapor de salida, hv Flujo másico Irradiancia directa Eficiencia, η *

cuánta energía se suministra al sistema y cuánta se obtiene del mismo mediante el vapor. Para determinar la energía que recibe el concentrador, en primera instancia, se debe medir la irradiancia directa que incide sobre el área de ca

Posteriormente, a presión constante se debe determinar el g

ía que sumini tranes de entrada y salida y con la ayuda de tablas de vapor de agua para conocer la entalp

dividir la potencia que absorbió el vapor entre la potencia que recibe el campo de concentradores, resultando la ec 5.30.

que contenía 5 litros de agua fría; el vapor era introducido en la probeta por debajo del

con las lecturas de un medidor comercial de agua, situac e

solar, con baja velocidad de vie

(kJ/kg) (kJ/kg) (kg/s) (kW/m2) (%)

105.3 2739.3 0.0117 0.820 38.151

*Usando la ec 5.30

Tomando un grupo de mediciones representativas de diferentes días, se obtuvo en prom directa de vapor en los concentradores solares d 8

edio una eficiencia en la generación e 3 % (Lentz, 2000).

321

5 e pistones de vapor

Para encontrar de manera experimental la eficiencia interna del motor de pistones de

ásico del

aplicada en el extremo del brazo de frenado con una báscula granataria.

n la literatura técnica (Severns et al, 1954). En

esta referencia, se dice que las máquinas construidas deficientemente tienen una

eficiencia mecánica del 85 %, y que las de excelente construcción pueden dar 90 %.

se calcula con la ec 5.37 y es de 0.88 kW.

otencia al freno de 0.88 kW, el

consumo específico de vapor suministrado a la máquina resultó de 68.18 kg/kWh.

E n b ci in

descargando el vapor al ambiente (presión atmosférica absoluta de 0.75 bar); vapor de

entrada a 160º C y 6.2 = 2759 ; el vapor presión d de

na humedad de 0.889, h3 = 2409.6 kJ/kg (expansión isoentrópica) y un

consumo específico de 68.18 kg/kWh. Mediante la ec 5.32, y suponiendo una eficiencia

.4.7.2 Eficiencia interna del motor d

vapor, se necesita conocer la potencia al freno, el consumo específico de vapor, la

eficiencia mecánica del motor y las entalpías del vapor en la entrada y la salida.

Mediante un freno de Prony, que se construyó para ese propósito, se obtiene la potencia

que entrega el motor de pistones de vapor en su flecha; se mide la presión y la

temperatura del vapor a la entrada y a la salida; además se mide el flujo m

vapor y el flujo de líquido en purgas; simultáneamente se miden las revoluciones por

minuto (rpm) de la flecha y la fuerza aplicada durante el frenado.

La velocidad de rotación de la flecha se midió con un tacómetro mecánico y la fuerza

Como no se evaluó en forma experimental la eficiencia mecánica del motor de vapor, se

toma un valor de 85 %, de acuerdo co

Los datos que se obtuvieron al operar el freno son los siguientes: velocidad de giro del

motor, 900 rpm; fuerza aplicada, 2.8 kgf; brazo del freno, 0.34 m. La potencia al freno

Con un flujo másico de vapor de 60 kg/h y una p

l motor operó e un ciclo abierto, ajo las condi ones siguientes: s condensador,

bar, h2 .4 kJ/kg a una e salida

0.75 bar, con u

mecánica de 85 %, la eficiencia interna resultante es de 19.42 %.

322

Fig 5.50 Primotor con freno de Prony

5.4.7.3 Eficiencia del generador eléctrico (alternador)

Para determinar la eficiencia del alternador es necesario conocer sus condiciones de operación tanto de entrada como de salida. Resulta más sencillo hacerlo a la salida que a la entrada, pues medir cuánta potencia está entregando el primotor, o sea el motor

se necesita caracterizarlo para saber su

directa alimentado por un banco de baterías.

De manera similar a como se hizo en el motor de vapor, utilizando el freno de Prony, se

de salida. Conociendo la eficiencia del primotor y la potencia eléctrica de entrada y salida del sistema primotor-alternador, se puede obtener la eficiencia correspondiente del alternador, de la siguiente manera:

auxiliar que acciona al alternador es un poco más complicado; esto debe realizarse midiendo el par a la salida del primotor.

Para conocer la potencia del primotorcomportamiento y, por tanto, su eficiencia. En este caso, se utilizó un motor de corriente

obtuvo la potencia al freno entregada en la flecha del primotor; además, se midieron el voltaje y la corriente para obtener la potencia eléctrica de entrada (fig 5.49).

Finalmente, se hizo otra prueba acoplando directamente el motor eléctrico (primotor) y el alternador (fig 5.50), en la que se midió tanto el voltaje como la corriente de entrada y

323

(5.41)

donde

Ws = We · Epm · Ea

We potencia eléctrica de entrada del primotor

Epm eficiencia del primotor

Ea eficiencia del alternador

Ws potencia eléctrica de salida del alternador

Despejando, se obtiene la eficiencia (Ea) del alternador

( )epmWEW s

Ea = (5.42)

La eficiencia del alterna , que es la velocidad de trabajo del motor de pistones de vapor.

ciclo Rankine realms (h2-h4 ) ηmec motor

dor en este caso fue de aproximadamente 87 % para 800 rpm

5.4.7.4 Eficiencia del ciclo Rankine

La eficiencia del ciclo Rankine real se calcula con la ec 5.29:

η = 3600

Con los datos siguientes:

ms = 68.18 kg / kWh

h2 = 2759.4 kJ/kg

h4 = 105.03 kJ/kg (agua a 25ºC)

ηmec motor = 85 %

La eficiencia de ciclo Rankine real abierto resultó de 2.34 %.

324

Fig 5.51 Primotor-alternador

Fig 5.52 Motor de vapor con alternador durante la generación de electricidad

325

5.4.7.5 Eficiencia global solar-electricidad

Finalmente, se obtendrá la eficiencia global del sistema. Ésta se calculará de dos aneras, la primera será midiendo directamente la potencia solar recibida en los

concentradores de canal parabólico y la potencia que entrega el alternador eléctrico. La segunda es obteniendo el resultado del producto de cada una de las eficiencias individuales de las principales partes que integran el sistema, como son el generador de vapor solar, el motor de pistones de vapor y el alternador eléctrico.

En el primer caso, según la ec 5.39, la eficiencia experimental obtenida fue de 0.98 %.

En el segundo caso, de acuerdo con la ec 5.40, si se multiplican las eficiencias del generador de vapor solar, del ciclo Rankine real sin condensador, la mecánica del moy la del generador de corriente alterna, se obtiene una eficiencia global de 0.7 %.

m

tor

5.4.8 Análisis de resultados

La generación de vapor en los concentradores de canal parabólico se logró con éxito, y no se presentó flexión durante la doble fase en los tubos absorbedores de cobre al

ar

a e la

y

2 cto túnel, que reduce los niveles de irradiancia reflejada.

generar vapor directamente.

La generación del vapor directamente en los concentradores solares permitió confirmque la flexión de los tubos absorbedores es ocasionada por gradientes térmicos que provocan esfuerzos en las paredes de dichos tubos, y si el material es acero, el problemde la flexión es mayor, mientras que con el tubo de cobre, se reduce, y no rompenvolvente de vidrio. Para evitar dicha flexión, se han propuesto nuevos diseños de tubos bimetálicos que trabajen con doble fase para generar vapor directamente.

La eficiencia en la generación directa vapor en los concentradores de canal parabólico fue del orden de 40 %. Esta eficiencia se vio afectada principalmente por los siguientes factores:

1. La forma del concentrador. La curvatura original sufrió deformaciones, que provocaron que el foco se alejara del tubo absorbedor aproximadamente 3 cmque parte de la irradiancia reflejada se perdiera.

. Deterioro en el material reflejante del espejo de segunda superficie por efe

326

3. El problema de la utilización de tubos absorbedores de cobre, que se reblandecen con el tiempo y pierden su dureza original, haciéndose más flexibles y, con ello,

La eficiencia en la generación de vapor sólo considera el vapor generado, dejando a un

eficiencia es que el motor recibe vapor saturado o muy

ale del motor, del cual se podría utilizar aproximadamente

el 20 % para precalentar el agua que reciben los concentradores; el resto del calor que se

Para corroborar la baja eficiencia térmica que se ha encontrado, se toman los datos de

a a una

presión manométrica de 80 libras/pulgada2 (5.6 kg/cm2) y 800 rpm, en la gráfica se

específico de vapor es de 36.66 kg/kWh.

Considerando que el motor recibe vapor saturado a 6.6 kg/cm abs (h = 2 760 kJ/kg), y

que e 410.3 kJ/kg), mediante la ec 5.32

resulta una eficiencia interna de 33 % para el motor de pistones de vapor, suponiendo

una eficiencia mecánica de la máquina de 85 %.

se deforman y pierden su posición inicial. Esto ocurre principalmente en los extremos de los módulos donde se realiza la unión con mangueras flexibles, mismas que oponen resistencia al movimiento libre ocasionando la deformación del tubo; también hay flexión a lo largo del tubo entre soportes, ocasionada por los efectos de la gravedad.

lado el flujo de agua caliente que sale de la trampa de condensados (trampa de vapor).

Con respecto a la eficiencia interna real del motor de vapor, ésta fue de 2.1 %. Si se compara con la eficiencia obtenida con los datos del fabricante (3.9 %), esta última es casi del doble, lo que sugiere la revisión de dicho motor para mejorar su rendimiento.

Una de las razones de la baja

cercano a la curva de saturación, por lo que el trabajo en el expansor es pequeño. Se

podría mejorar sobrecalentando un poco más el vapor y aprovechando el calor latente de

condensación del vapor que s

necesita eliminar puede ser aprovechado en otro proceso que requiera calor, como la

destilación de agua.

una gráfica proporcionada por el fabricante del motor (fig 5.53); si se trabaj

encuentra un consumo de 150 libras/ hora (68.1 kg/h), y a esa misma presión se tienen

2.5 BHP (caballos de fuerza al freno), equivalente a 1.86 KW; en consecuencia, el

consumo

2

l vapor de la descarga se condensa a 25ºC (h3 = 2

327

Fig 5.53 Curvas de comportamiento del motor de vapor Stuart Swan, cuando opera a nivel del mar y descarga el vapor a la atmósfera (elaborado por el fabricante)

Cuando se tiene vapor muy cercano a la línea de saturación, el trabajo que se puede

agua con que se alimenta a los concentradores.

tor de pistones de vapor requiere una lubricación abundante con aceite mineral, el cual llega a mezclarse con el vapor formando una emulsión que puede

La utilización de una turbina puede ser la solución para cerrar el ciclo, ya que ese expansor requiere una lubricación mínima; además, el aceite de lubricación no se

e pistones, aunque presenta menor

specífica (Ns) y el diámetro específico (Ds). Cuando se presentan valores entre 0.001 y 1.0 para Ns y de 4 a 50 para Ds es

realizar en el expansor es muy pequeño, por lo que la eficiencia en estas condiciones suele ser baja.

Aunado a lo anterior, como el ciclo es abierto, el vapor que sale del motor se desperdicia en la atmósfera, cuando parte de ese calor podría utilizarse para calentar el

La operación del mo

observarse en el escape del motor. Por ese motivo el ciclo está abierto, ya que de no ser así se presentarían incrustaciones en toda la tubería y los equipos que intervienen en el proceso que transforma los rayos solares en potencia mecánica.

mezcla con el vapor, como ocurre en el motor deficiencia con flujos másicos bajos.

Es conveniente utilizar motores de pistones de vapor a bajas potencias según lo discutido por Kreider (1979), donde los parámetros utilizados para estimar el desempeño de estas máquinas son la velocidad e

328

cuando se obtienen las mlas revoluciones por m enta a valores mayores de 1.0, es conveniente sustituir los m o turbinas radiales o axiales.

Comercialm hasta 60 kW, que pueden utilizarse com unicación privada, Spilling, 2000;

La potencia del mo es de 3 hp, aunque se requiere una potencia mucho me

A continu desea comparar para analizarla.

h2 = 2759.4 kJ/kg s2 = 6.76634 kJ/kg K

h4 = 104.82 kJ/kg a 0.75 bar y 25ºC

ejores eficiencias. Si la velocidad específica (que depende de inuto y del flujo de vapor) se increm

otores de vapor por expansores rotatorios com

ente existen en el mercado motores de pistones de vapor desde 1 kWo expansores en aplicaciones solares (com

Stuart Models Catalog , 1995).

tor eléctrico de la bomba nor. Se utilizó esta bomba porque no se contaba con otra que tuviera un

variador de velocidad para controlar el gasto.

ación, se hace el cálculo de la eficiencia del ciclo Rankine ideal, la cual se

La eficiencia térmica del ciclo Rankine se obtiene determinando WB, Wt y qent.

s2 = s3 = 67663 = 1.213 + (7.4557-1.2130)x

x = 0.889 h3 = 2409.6 kJ/kg

h1 = 105.30 kJ/kg a 6 bar y 25ºC

h1 = 105.30 + vent (Psal – Pent ) h1 =105.4 + 0.52 kJ/kg

WB = (h1-h4) = 1.0 kJ/kg

Wt = (h2 –h3) = (2759.4 – 2409.6) Wt = 349.8 kJ/kg

Wnet = Wt –WB = 349.8 – 1.0 = 350. 8 kJ/kg

qent = h2 –h1 = (2759.4 – 105.3) qent = 2654.1 kJ/kg

ηciclo Rankine ideal = Wnet/qent = 350.8 / 2654.1

ηciclo Rankine ideal = 13.21 %

Si se compara la eficiencia de ciclo Rankine ideal con la eficiencia del ciclo Rankine real, de 13.21 % y 2.16 %, respectivamente, se puede decir que hay posibilidades de obtener una mejor eficiencia utilizando una turbina con mayor eficiencia interna.

329

A continuación, se compara el efecto que puede tener un condensador en la eficiencia de ciclo Rankine y para ello se compara el ciclo Rankine ideal con el ciclo Rankine real con condensador.

Esta es la eficiencia térmica del ciclo Rankine ideal con condensador que podría

s2 = s3 = 67663 = 0.3669 + (8.5558 – 0.3669 )x

3

h = 104.75 kJ/kg a 0.003 bar y 25ºC

h1 = 105.30 kJ/kg a 6 bar y 25ºC

B 1 4

Wnet = Wt –WB = 349.8 – 1.0 = 350. 8 kJ/kg

qent = h2 –h1 = (2759.4 – 105.3) qent = 2654.1 kJ/kg

ciclo Rankine ideal con condensador net ent 04 / 2654.1

ciclo Rankine ideal con condensador 0 %

real con condensador corresponde a la ec 5.30, con una eficiencia interna de 2.1 %, un trabajo de 350.8 kJ/kg, un trabajo de la bomba de

la bo ser de 16.61 %. Esta es la nerse con el condensador.

La eficiencia del alternador eléctrico que se acopló directamente al motor de pistones de 0 rpm.

La eficiencia del primotor que accionaba el alternador eléctrico es de 53 %; esta eficiencia es baja debido a que dicho motor está diseñado para trabajar a 3 600 rpm, por l iene su mejor desempeño.

obtenerse mediante la determinación de WB, Wt y qent.

h2 = 2759.4 kJ/kg s2 = 6.7663 kJ/kg K

x = 0.7851 h = 2021.36 kJ/kg

4

h1 = 104.75 + vent (Psal – Pent ) h1 =105.4 + 0.52 kJ/kg

W = (h -h ) = 1.0 kJ/kg

Wt = (h2 –h3) = ( 2759.4 – 2021.36 ) Wt = 738.04 kJ/kg

η = W /q = 738.

η = 27.8

La eficiencia de ciclo de Rankine

1.0 kJ/kg y una eficiencia de mba de 85 %, resulta eficiencia que podría obte

vapor resultó de 87 %, a una velocidad de 80

o que a 800 rpm no se obt

Al realizar la prueba de caracterización del primotor, es conveniente que esté diseñado para trabajar a revoluciones similares a las del alternador eléctrico, pues se presentarían menos variaciones al realizar mediciones.

330

La eficiencia solar-electricidad medida es de 1 %, lo que quiere decir que de cien unidades de energía radiante recibida, se obtiene una unidad de energía eléctrica, que puede utilizarse para diferentes necesidades.

de concentradores (40 %), ciclo Rankine real (2.16 %), mecánica del motor de pistones de vapor (85 %) y alternador

a s ultante de dividir la potencia eléctrica generada entre la irradiancia recibida por los concentradores resultó de 0.9 %.

ar-electricidad medida directamente y la eficiencia ias de los elementos

e eberse a los errores acumulados en mediciones; si bien no es exactamente el mismo resultado, la diferencia es pequeña.

sta sección

Es conveniente realizar una revisión al motor de pistones de vapor ya que de acuerdo con los datos del fabricante debería proporcionar el doble de la potencia que actual-m

purgas, ya que el calor se utilizaría para calentar el agua de entrada a los concentradores, evitando desperdicios innecesarios.

gas, en paralelo al campo de concentradores, para sustituirlos durante la noche. Dicha caldera podría funcionar en serie durante el día para el mejor control de los transitorios solares y con esto se tendría vapor de buena calidad durante todo el tiempo en que se produzca electricidad.

La eficiencia con que se convierte la irradiancia solar en electricidad es el producto de la eficiencia de los componentes del sistema (campo

(87 %) y resultó ser de 0.7 %.

La eficienci olar-electricidad res

La diferencia entre la eficiencia solsolar-electricidad resultante del producto de cada una de las eficiencqu intervienen, puede d

5.4.9 Conclusiones y recomendaciones de e

ente entrega en su flecha.

Es recomendable cambiar el motor de pistones de vapor por otra máquina con mayor eficiencia como, por ejemplo, un motor Scroll (Jaimes, 2001); dicho dispositivo podrá mejorar la eficiencia de todo el ciclo y, por consiguiente, hacer más eficiente la generación solar-electricidad.

Es útil cerrar el ciclo para aprovechar el calor del vapor que sale del expansor, y recu-perar el condensado de la trampa de vapor y de las

En una etapa posterior, si se desea la generación eléctrica durante las 24 horas del día, será necesario añadir al sistema una caldera de

331

La baja eficiencia obtenida también se debe a que los concentradores solares deberían tener eficiencias arriba de 50 %. Los aquí presentados tienen una antigüedad de 20 años, por lo que han sufrido una deformación en el foco de la parábola, aumentando su

Como se discutió en esta sección, los motores de pistones de vapor presentan mejores

encias y los consumos específicos de vapor son mayores.

en regiones de alta irradiancia

ares térmicas para generación de electricidad que están disponibles. Tal es el caso de los sistemas de generación solar eléctricos que emplean

cidad generada actualmente a partir de la energía solar (Aringhoff, 2001).

eléctrica existente. Por tanto, si se alcanza un alto desarrollo de estas tecnologías y se

tamaño, así como degradación de los espejos. Además, el nivel de irradiancia solar directa no es el adecuado para estos dispositivos. Éstos deben instalarse en la zona noroeste del país donde la irradiancia solar directa llega a órdenes de 1 kW/m2.

eficiencias internas a bajas potencias y flujos másicos pequeños, mientras que las turbinas tienen mejores eficiencias internas cuando las pot

5.5 Sistemas de generación solar eléctrica con canal parabólico (plantas SEGS)

5.5.1 Antecedentes

La implementación de plantas de potencia solar térmicasolar, es una opción importante como estrategia de abastecimiento de electricidad compatible con el ambiente. Actualmente, se ha adquirido gran experiencia en el manejo de tecnologías sol

concentradores de canal parabólico (plantas SEGS), instalados en California, con capacidad de 354 MWe, los cuales han alimentado más de 9 000 GWh a la red eléctrica municipal por más de 14 años de operación, suministrando 80 % del total de electri-

Diferentes estudios han demostrado que aún existe gran necesidad de intensificar los esfuerzos para integrar las tecnologías solares térmicas en los sistemas de la red

introducen en el mercado las plantas de potencia solar con canal parabólico, éstas contribuirán sustancialmente a la reducción global de emisiones de CO2.

Por lo que respecta a las plantas ISCCS (Integrated Solar Combined Cycle Systems), se detallan en forma general a continuación.

332

Fig 5.54 Opción para integrar energía solar en plantas de ciclo combinado

En un sistema convencional de ciclo combinado, el calor de desecho del ciclo Brayton

disponible a altas temperaturas. Sin embargo, en los sistemas ISCCS se implementan los parámetros de vapor ya que es posible el uso de recalentamiento del vapor de la

cambia sino que las condiciones de vapor se transforman por medio de calor solar para generar y recalentar el vapor, mientras que los desechos de la combustión provenientes

brecalientan el

altas presiones, por ejemplo, hasta 100 bar. De manera que los gases residuales de la turbina de gas se usan para sobrecalentar el

se utiliza para generar y sobrecalentar vapor para un ciclo Rankine. En este caso la turbina de vapor opera a eficiencias del orden de 24 % debido principalmente a las restricciones sobre la presión y temperatura del vapor, las cuales son causadas por un cierto contenido de humedad en la etapa final de expansión. Se sabe que en una planta convencional de vapor se pueden alcanzar eficiencias mayores por medio de vapor sobrecalentado y/o recalentado, pero en un ciclo combinado puro la presión de vapor está restringida a un intervalo de 40 a 60 bar a temperaturas de sobrecalentamiento de 480 a 500°C y el recalentamiento no es posible debido a la insuficiencia de energía

turbina. Esto permite el aumento de eficiencia alrededor de un 40 %, de manera que la eficiencia total de la planta aumenta y las emisiones se reducen. El esquema de la fig 5.54 es una propuesta de una planta ISCCS. En estos sistemas, la turbina de gas no

de la turbina de gas, precalientan el agua de alimentación así como sovapor. No se requiere sobrecalentamiento del sistema solar ya que la temperatura de evaporación se puede elevar para obtener

333

vapor de presión alta a temperaturas del orden de 500°C. Digamos que un ciclo combinado convencional con una turbina de gas con capacidad de 60 MWe utilizará una turbina de vapor con una capacidad de 30 MWe, mientras que en el sistema ISCCS, la turbina de vapor tendrá una capacidad de 80 MWe (Kearney y Nava, 1994). El funcionamiento y costos de las plantas ISCCS se evalúan por medio de programas de cómputo muy sofisticados con sistemas de ciclo combinado con la adición de plantas termosolares de canal parabólico en un intervalo de 46 a 349 MWe (Kearney et al, 1995)

Por último, la generación directa de vapor con concentradores de canal parabólico es una opción promisoria para mejorar la tecnología de las plantas de potencia solar de varios MWe y hacerlas rentables. Existen preguntas concernientes al proceso de GDV y deben tener respuesta antes de que una planta con carácter comercial se diseñe. Con este fin, un nuevo proyecto denominado Direct Solar Steam (DISS) ha surgido con el objetivo de desarrollar una nueva generación de plantas de potencia solar-térmica, con producción directa de vapor en los tubos absorbedores de los concentradores de canal parabólico. Durante la primera fase del proyecto llevada a cabo de 1996 a 1998, se construyó un laboratorio de pruebas de tamaño real en la Plataforma Solar de Almería, en España, para investigar bajo condiciones reales de irradiancia solar los procesos básicos de la generación directa de vapor y evaluar las preguntas técnicas existentes concernientes a esta nueva tecnología (Zarza et al, 2001).

5.5.2 Plantas SEGS con canal parabólico

Los Sistemas de Generación Solar Eléctricos (SEGS por sus siglas en inglés) son plantas de potencia de canal parabólico que representan la tecnología más desarrollada en generación de potencia solar térmica, con capacidad de 354 MWe, y operan desde la mitad de la década de los 80, conectadas a la red en el sureste de California. Consisten en un gran arreglo de concentradores de canal parabólico que reflejan la luz solar (irradiancia solar directa) en un tubo absorbedor negro, el cual está ubicado en la línea focal. Un sistema de seguimiento automático mantiene al tubo en la línea focal durante el día siguiendo el movimiento aparente del Sol. El tubo absorbedor es enfriado por un fluido de transferencia de calor, comúnmente un aceite sintético con resistencia de temperatura superior a 400°C. El fluido caliente se bombea a un intercambiador de calor/evaporador de un ciclo Rankine para generación de vapor y potencia.

334

Fig 5.55 Configuración de una planta SEGS (Geyer y Quaschning, 2000)

La experiencia en la operación de plantas SEGS se inicio en California, EUA, desde

1984. A partir de este año y hasta 1991, se construyeron nueve plantas solares con

capacidad de 13.8 a 80 MWe de potencia solar, administradas por la compañía LUZ

International Ltd. Actualmente, se han instalado 354 MWe en sistemas de generación

eléctrica solar. Las SEGS en California han producido más de 9000 GWh y están aún

ia, SEGS es la tecnología disponible más

desarrollada en la actualidad para generación de electricidad por energía solar

potencia de 13.8 MWe, las siguientes seis tienen una capacidad de 30 MWe cada una y

conectadas a la red. Con esa experienc

(Aringhoff, 2001).

De las nueve plantas SEGS de California, la primera planta tiene una capacidad de

las últimas dos una capacidad de 80 MWe, y ocupan una área total de concentradores de

2.2 millones de metros cuadrados. La fig 5.55 muestra la configuración de una planta

SEGS con concentradores de canal parabólico (Trieb et al, 1997). La tabla 5.1 resume

las características técnicas de cada una de las nueve plantas y en la tabla 5.2 se presenta

la evolución de la tecnología de cuatro generaciones de los concentradores de canal

parabólico utilizados en esas plantas.

335

336

IX

TABLA 5.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS PLANTAS SEGS

Unidad I II III IV V VI VII VIII

Capacidad neta (MW) 13.8 30 30 30 30 30 30 80 80 Área total (ha) 29 67 80 80 87 66 68 162 169

Área del campo solar (ha)

8.3 19 23 23 25.1 18.8 19.4 46.4 48.4

Temperatura de salida del campo solar (°C)

307 321 349 349 349 391 391 391 391

Eficiencia térmica del campo solar (%)

35 43 43 43 43 43 43 53 50

Eficiencia solar-electricidad (%)

9.3 10.7 10.2 10.2 10.2 12.4 12.3 14 13.6

Electricidad producida 30.1 80.5 91.3 91.3 99.2 90.9 92.6 252.8 256.1(GW/año)

Gas natural usado al año (m3/año x 106)

4.8 9.5 9.6 9.6 10.5 8.1 8.1 24.8 25.2

Costo (EUA$/kW) 4 490 3 200 3 600 3 730 4 130 3 870 3 870 2 890 3 440

DE CANAL PARABÓLICO

1ª Generación (LS-1)



4ª Generación (en proyecto)

Apertura

TABLA 5.2 EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE LOS CONCENTRADORES

2.5 m 5 m 5.76 10.5 m Longitud del módulo 50 m 48 m 99 m 49 m

2 2 2 2

o o o o

Distancia entre postes 6 m 12-15 m 17.3 m 25 m Área de espejos 128 m 235 m 545 m 504 m

Temperatura del fluido 307 C 350 C 390 C 390-450 C

El primer paso se dio en 1983, cuando LUZ negoció por 30 años un contrato con la compañía Southern California Edison por la venta de la electricidad de dos plantas, una de 13.8 MWe y otra de 30 MWe. Estas plantas, llamadas SEGS I y SEGS II, fueron el comienzo de la serie de nueve plantas SEGS.

336

La instalaci zados para calentar un fluido de transferencia a base de hicanales parabólicos y del generador de vapor, generando vapor a 35.3 bar para un ciclo c e r. ste tem ca so e u ara cal r el ag por, in end tem e un sobrecalentador de gas natural incre-m 15

Los trabajos de SEGS II come s 9 s n n in con un campo solar compuesto por colectores LS-1 y LS-2, la si pl SE II odu l m r y im tan on o de diseño para la configuración de la planta en paralelo con el campo solar. El vapor de la turbina podía ser aliment po a o po a d

La idea de una fuente de energía a base de c s s subsecuentes plantas SEGS. Se concibió el concepto de una planta híbrida capaz de

gí ar p es efi c d e tra d o c a especial que una empresa de servicio público debe tener.

LUZ continuó desarrollando plantas SEGS de 30 MW hasta la construcción de SEGS V alcanzar mayores temperaturas, lo que repercutió en un ciclo y una turbina con mayores eficiencias y, posteriormen instalación fue desarrollada co roduct ndient nd Southern Edison Com

En increm el tama las pla 80 MW n la construcción de SEGS VIII y SEGS IX.

Ca adam año d cción fue o de 400 personas, llegando en ocasiones a 800; la construcción de estas plantas representó alrededor de 3 200 empleos al año. Las nueve plantas han operado desde su

a SEGS X.

ón de SEGS I consta de un área de 32 960 m2 de colectores utilidrocarburos el cual pasa a través de los

onvencional de turbina d vapo En e sis a el mpo lar s sa p pre entaua y generar va dep ien ent

enta la temperatura a 4 oC.

nzaron a principio de 1 85. E ta pla ta tie e unastalación de 30 MWe guiente generación. La anta GS intr jo e ejo más por te c cept

ado r el c mpo s lar o r la c ldera e gas.

ombu tibles fósile se incorporó en las

operar con gas natural y ener a sol , con sus a arent ben cios: apaci ad dbajo en condiciones e baja irradiancia s lar y onfiabilidad para c da necesidad

I y SEGS VII en 1988. Las mejoras en la tecnología de los concentradores permitieron

te, la introduccmo un p

ión de un ciclo indepe

o con recalente que ve

amiento. Cadaía su energía a

California pany.

1989 y 1990, LUZ entó ño de ntas a e co

da planta tomó aproxim ente un e constru , con una rza de trabaj

instalación, y el funcionamiento se considera regular y excelente en algunos aspectos.

En 1991 la compañía LUZ desapareció debido a dificultades económicas principal-mente en el desarrollo de los planes de la plant

337

5.5.2.1 Elementos principales del sistema de concentración solar

1 Campo de colectores, que es un arreglo de gran número de concentradores de canal parabólico; cada concentrador incluye la superficie reflectiva y el tubo receptor .

2 Sistema de bombeo. Transporta la energía térmica desde los tubos receptores al sistema de generación de potencia eléctrica.

3 Almacén térmico, donde la energía solar térmica se almacena y se descarga cuando

• Acoplamiento simple de un sistema convencional a base de aceite combustible o

370°C y máxima presión de 100 bar a base de energía solar (510°C a base de aceite combustible), la energía solar y la energía de

a operacional. Con la supervisión de Kramer Junction se ha alcanzado una reducción del

valores pico diarios de 20 % como lo muestran los resultados de operación de la planta SEGS VI (fig 5.56).

se requiere. 4 Sistema de respaldo convencional con combustibles fósiles. 5 Sistema de generación de potencia eléctrica, que comprende el generador de vapor

y el acoplamiento generador eléctrico-turbina de vapor. 6 Sistema de control de la planta solar.

5.5.2.2 Ventajas y desventajas de las plantas SEGS

Ventajas:

• Tecnología confiable con la experiencia de operar 9000 GWh con concentradores de canal parabólico y aceite térmico

gas natural • Disponibilidad de alta potencia de más de 94 % • Modular en componentes solares • La cogeneración es posible.

Desventajas:

• Temperatura de operación solar restringida a 400°C • Temperatura del vapor restringida a

respaldo fósil son convertidas a electricidad con una eficiencia relativamente baja del ciclo de vapor.

El funcionamiento de las plantas SEGS han continuado mejorando su tiempo de vid

30 % en costos de operación y mantenimiento durante los últimos cinco años, incrementando al mismo tiempo las eficiencias de planta a

338

Fig 5.56 Eficiencias medidas en la planta SEGS VI en julio de 1997 (Geyer y Quaschning, 2000)

Este e res programas en el diseño del concentrador y lentre a de Operación de Kramer Junction y los Laboratorios Nacionales San ás, compañías de fabricación de com licos han hecho avances, por ejemplo, en Israel SO rbedores y Pilkington Solar ha desarrollado procesos mejorados e integración de sistemas para generación de potencia más eficiente. Se

evas plantas, con tecnología actual con las mejoras anteriores, producirían ene

Actuavaporcomo ncia de calor será remplazado por agua, la cual se evapora directamente y se sobrecalienta a temperaturas de 400°C con una presión superior a

rabólico

s el resultado de la aplicación de mejoos procedimientos de operación y mantenimiento, llevados a cabo en colaboración

la Compañídia en Albuquerque, Nuevo México, EUA. Ademponentes de concentradores parabó

LEL ha mejorado los tubos abso

estima que nurgía limpia a un costo de EUA$ 0.12 a 0.20/kWh.

lmente, se ha propuesto un nuevo proyecto por medio de la generación directa de aprovechando los elementos de las plantas SEGS. Dentro del proyecto, el aceite fluido de transfere

100 bar. Este vapor puede ser alimentado directamente a una turbina de vapor, y de esta forma el intercambiador de calor y el aceite no son necesarios. Este proyecto reducirá los costos e incrementará la eficiencia anual. Posteriormente, una reducción de costos y mejor eficiencia se obtendrá con el proyecto Eurocanal (Geyer y Quaschning, 2000), el cual tiene como objetivo desarrollar una estructura de concentrador de canal pa

339

mejorada. Los prototipos de ambos proyectos en desarrollo se han instalado y probado en la Plataforma Solar de Almería.

5.5.3 DISS (direct solar steam)

Las plantas de potencia solar-térmico basadas en concentradores de canal parabólico son actualmente la tecnología más próspera para generación de electricidad, lo cual ya ha sido demostrado por las plantas SEGS en California. La generación directa de vapor en tubos absorbedores se vislumbra como una alternativa prometedora para hacer competitiva esta tecnología. La sustitución del aceite por generación directa de vapor resulta en una más baja inversión y costos de operación, así como reducción de los riesgos ambientales y peligros de incendio en caso de fugas. Simultáneamente, el funcionamiento puede ser mejorado evitando pérdidas termodinámicas asociadas con el intercambiador de calor aceite-agua/vapor de las plantas SEGS. En combinación con mejoprevé lograr una reducción del 26% en costos de electricidad (Zarza et al, 2001).

s para concentradores de canal parabólico (por ejemplo, nuevos tubos absorbedores más económicos con excelentes

ras posteriores del campo de concentración e integración del global del sistema, se

Tomando en consideración este beneficio esperado, un grupo de patrocinadores alemanes y españoles, con el soporte financiero de la Comisión Europea del Programa JOULE, comenzó en 1996 el proyecto DISS, programa dirigido al desarrollo de una nueva generación de plantas de potencia solar-térmico con concentradores de canal parabólico.

Las mejoras esperadas para las plantas de potencia solar-térmico están basadas en tres factores principales:

1. Desarrollo e implementación de componente

propiedades térmicas y ópticas, sistemas de seguimiento solar más baratos, mejores espejos, etc).

2. Desarrollo de procesos de generación directa de vapor para eliminar el aceite usado en las actuales plantas solar-térmico como un calor llevado desde el campo solar al subsistema de potencia. Puesto que el proceso de generación directa de vapor es una vía promisoria para incrementar la eficiencia global de plantas de potencia solar térmica con canal parabólico, el desarrollo de esta nueva tecnología fue definida como el objetivo principal de el proyecto DISS.

340

3. Optimación del diseño y procesos de toda la planta en global para lograr un mejor acoplamiento entre el campo solar y el sistema de potencia.

ISS PSA

ntado, mientras que el compensador de planta condensa este vapor sobrecalentado y lo regresa

spejos. Cada concentrador tiene cuatro módulos de canal parabólico con excepción de los concentradores 9 y 10, los cuales tienen solo dos. Cada módulo tiene

relación entre diámetro interno y externo del tubo absorbedor es de 50/70 mm.

La línea de concentradores está dividida en dos secciones por un separador de agua/vapor:

Seccidonde ésta se precalienta y convierte en vapor saturado. Su eje de segcia de

Sección de sobrecalentamiento del vapor. Está formada por los dos últimos concentra-dores en la línea donde el vapor saturado derivado de la sección de evaporación es sobrecalentado.

5.5.3.1 Laboratorio de pruebas D

Durante la primera fase del proyecto DISS (1996-1998), un laboratorio de pruebas de tamaño real fue diseñado y construido en la Plataforma Solar de Almería (PSA), el centro de investigación en energía solar más grande de Europa. Actualmente, en la segunda fase del proyecto DISS (1999–2001), los tres procesos básicos de generación directa de vapor (esto es, con flujo continuo, recirculación e inyección) bajo condi-ciones reales de irradiancia solar, para encontrar cuál sería el mejor para una planta comercial y obtener experiencia para el diseño de futuras plantas de potencia, basadas en GDV con flujo anular en dos fases.

El laboratorio está compuesto por dos subsistemas, el campo solar y el compensador de la planta. El campo solar convierte la irradiancia solar directa en vapor sobrecale

a la entrada del campo solar.

El campo solar está compuesto de una línea de once concentradores de canal parabólico con orientación norte-sur, conectados en serie, con una longitud total de 550 m y 3 000 m de e

una apertura de 12 m y una longitud de 5.57 m con longitud focal de 1.71 m. La

ón de evaporación de agua. En los primeros nueve concentradores de la línea el agua es alimentada,

uimiento puede colocarse horizontal o inclinado con 2 o 4º para estudiar la influen- la inclinación sobre el patrón de flujo bifásico.

341

Fig 5.57 Esquema de los procesos básicos para la GDV del proyecto DISS (Herrmann y Lippke, 1998)

Los tres principales modos de operación son:

Modo 1: agua a 40 bar/210oC vapor a 30 bar/300oC Modo 2: agua a 68 bar/270oC vapor a 60 bar/350oC Modo 3: agua a 108 bar/300 C vapor a 100 bar/375 C

Entrada al campo solar Salida del campo solar

o o

condensado en un condensador a base de aire y se convierte en agua de alimentación

ador a la entrada del campo solar.

ón y recirculación. La fig 5.57 muestra los esquemas básicos para cada uno de los tres procesos. Todos los componentes del laboratorio DISS han sido

En el compensador de planta, el vapor sobrecalentado producido por el campo solar es

que es bombeada a la entrada del campo solar y al sistema de inyección de agua en un circuito cerrado. El balance de planta contiene también un desareador y un equipo de dosificación química. El sistema de recirculación de agua consiste de un separador de agua/vapor y una bomba que recircula el agua al separ

Hay inyectores de agua en el campo solar lo que permite la operación del sistema en cualquiera de los tres procesos básicos de generación directa de vapor: circulación continua, inyecci

342

diseñados para operación flexible, así que cualquier combinación de las tres configuraciones básicas es posible.

El laboratorio de pruebas DISS de la PSA estuvo en operación por más de 2 000 horas de enero de 1999 a octubre de 2000. A pesar de los problemas técnicos presentes durante este periodo, muchas pruebas se han realizado y se ha ganado experiencia. Estas pruebas continuaron hasta agosto de 2001. Es importante mencionar que los problemas principales no fueron en los procesos mismos de la generación directa de vapor, sino en el equipo convencional utilizado durante los procesos (por ejemplo, termopares instalados en los tubos absorbedores, bomba de recirculación de agua y tarjetas electrónicas), ya que siempre se trabajó con flujo anular en dos fases.

El mayor impedimento para la implementación de electricidad solar son los costos de inversión relativamente altos del sistema de concentración solar. La disponibilidad de la potencia solar-térmica es restringida por las fluctuaciones naturales de la fuente de energía. A primera vista, esto parece limitar severamente la posibilidad de generación de potencia rentable con cargas pico, y bajos costos de generación de potencia con carga

almente, un hecbase. Fin ho importante es la confiabilidad de las plantas, la cual depende sobre todo de su nivel de desarrollo tecnológico. Dos aspectos importantes de

mentar la confiabilidad de estas plantas durante el suministro de e

El primero idac otenc respaldo a base de co ensación de las fluctua ent olar rarios sin disponibilidad de energía solar, aumentando las horas de carga anual (factor de

solar, un almacén permite un incremento anual en las horas de operación por medio de

carácter técnico deben considerarse para aunergía eléctrica.

, es la hibr ión de las plantas de p ia solar con sistemas dembustibles fósiles. Un sistema de respaldo fósil permite la compciones de rada de la energía s y la operación en ho

capacidad) y la disponibilidad de potencia a más de 800 horas anuales. En este caso, combustibles como el gas natural o el aceite combustible se usan como fuente de energía adicional para completar la energía de salida deseada de la planta.

El segundo aspecto es la integración de un sistema de almacenamiento de energía en la planta solar. En combinación con un aumento del área del campo de concentración

energía solar y, además, compensa fluctuaciones de corto tiempo en la disposición de la energía solar. Actualmente, se están realizando estudios con fluidos con sales eutécticas

343

con nitratos, como fluido de transferencia de calor y como fluido para almacenar energía (Kerney y Herrmann, 2001).

as ambientales y

del orden de 400 a 1 500 dólares nortea-

al parabólico

proceso de requisición.

Posiblemente, el alto costo de inversión específico de las instalaciones solares será de menor problema en el futuro, si la capacidad de producción de los componentes solares se incrementa y si los costos del combustible se elevan.

5.5.4 Financiamiento para tecnologías de plantas termosolares con canal parabólico

Algunos de los principales patrocinadores mundiales en inversión de energía, como el World Bank Group, el Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), de Alemania, y el European Investment Bank (EIB), están convencidos de las promesperspectivas económicas de las tecnologías de potencia solar térmica; por ejemplo, en la primavera de 2000, el consejo de la Oficina Mundial del Medioambiente (GEF, por sus siglas en inglés) aprobó un financiamiento para los primeros proyectos solares térmicos en Egipto, India, México y Marruecos, por aproximadamente 200 millones de dólares norteamericanos en total.

Por otro lado, para responder a las actuales necesidades de mercado para hacer competitiva la tecnología de potencia solar térmica, pequeños campos solares pueden integrarse en plantas de ciclo combinado, plantas de carbón, diesel o gas natural. Las inversiones adicionales requeridas serán mericanos por kW instalado, para alcanzar con base en la carga de operación una participación solar superior al 10 %.

La Oficina Mundial del Medioambiente, tiene el objetivo de reducir emisiones de gases de invernadero, incrementando la participación en el mercado de tecnologías en energía, con baja emisión de estos gases para aplicaciones específicas. Dentro de sus tareas los gobiernos de los siguientes países han considerado el financiamiento de proyectos en plantas de potencia de ciclo combinado, empleando concentradores de cany plantas de potencia con generación directa de vapor (Geyer y Quaschning, 2000).

Egipto La GEF ha considerado aplicar un financiamiento en Egipto para adicionar un campo de concentradores de canal parabólico de 200 000 a 500 000 m2 para un nuevo proyecto de ciclo combinado con gas natural en Kuraymat, el cual actualmente se encuentra en el

344

India La GEF planea aplicar en la India un financiamiento para adicionar un campo de canal parabólico de 200 000 m2 a un proyecto de una planta de ciclo combinado de 135 MWe,

minos de referencia ya se han

arabólico de 100 000 a 500 000 m2 para el proyecto de una

anal parabólico de 100 000 a 500 000 m2, que se

Grecia la de Creta, el capital privado fundó Millenium Solar. El primer proyecto solar

con nafta como combustible, instalada en Mathania, Rajasthan. La KfW de Alemania ha ofrecido prestar 45 millones de dólares para este proyecto, para el cual GEF tiene asignada la misma cantidad. La preparación de los tértratado.

Irán Este país tiene contratado con sus propios fondos nacionales un estudio de factibilidad para la implementación de una planta, de ciclo combinado con gas natural, con un campo de concentradores de canal parabólico de 200 000 a 400 000 m2 de área, en el desierto de Yazd.

México La GEF planea un financiamiento para México, destinado a implementar un campo de concentradores de canal pplanta de ciclo combinado con gas natural, instalada en las áreas desérticas del norte de México. Éste será ofrecido a inversionistas privados, como un proyecto de energía independiente, y la preparación de los términos de referencia ya se han elaborado.

Marruecos Para Marruecos, la GEF considera un financiamiento para aumentar el área de un campo de concentración solar con cacoplará a una planta de ciclo combinado con gas natural cercana a la línea de gas que conecta Argelia con España. Dicho sistema se ofrecerá a inversionistas privados como un proyecto de energía independiente, cuya preparación de los términos de referencia comenzó a finales de 2000.

5.5.4.1 Proyectos en desarrollo de tecnologías de potencia solar térmica

En la istérmico a través de la compañía THESEUS que, junto con fuertes patrocinadores industriales griegos y europeos, ha propuesto la aplicación para licitar una planta de potencia solar térmica de 52 MWe con 300 000 m2 del campo de concentradores de

345

canal parabólico, el cual suministraría electricidad sólo con energía solar a la red

pleando concentradores de canal parabólico. El principal proyecto es una planta de potencia de canal parabólico (Andasol) de 32 MWe, que se instalaría en la provincia

lmería, con un campo de concentradores de canal parabólico que emplea un

Políticas de energía limpia y renovable han revivido el interés de importantes firmas les como Bechtel, Boeing, Duke Solar e Industrial Solar Technology por desa-

uede a tecnología desarrollada, con posibilidad de pronta comercialización.

bustibles fósiles. Por ello, para utilizar canales parabólicos, se propone integrar campos de concentradores en plantas de ciclo combinado, conocidas

ystems).

ración directa de vapor en concentradores de canal parabólico reducirá los

importante en el desarrollo y la utilización de la tecnología; la disminución en los

eléctrica de la isla de Creta.

España Existía la propuesta de nuevos incentivos para la generación de electricidad a partir de energías renovables en 1999. Se han iniciado varios proyectos privados con energía solar em

de Aconcentrador de diseño propio denominado Eurocanal. La planta se diseña para un área de captación solar de 235 000 m2 con generación directa de vapor.

Estados Unidos

industriarrollar adicionalmente tecnologías de energía solar térmica, como el proyecto de Nevada.

5.5.5 Conclusiones de esta sección

Las plantas SEGS tuvieron su mayor desarrollo de 1984 a 1990, y consecuentemente, lo tuvo la tecnología de canal parabólico. Aunque con algunos problemas, ésta se pconsiderar un

Las SEGS han producido más del 80 % de la energía generada mediante energía solar; sus 354 MWe instalados y sus nueve plantas constituyen sin duda la experiencia acumulada más importante en generación de electricidad mediante energía solar.

La tendencia de los mercados eléctricos apunta a la utilización de plantas de gran tamaño que operen con com

como ISCCS, por sus siglas en inglés (Integrated Solar Combined Cycle S

La genecostos de generación eléctrica al eliminar los aceites sintéticos y el intercambiador de calor, lo que hará los costos más competitivos para su integración al sistema eléctrico.

Los costos en la generación de electricidad por medio solar tienen un papel muy

346

precios de la energía generada y el aumento en los combustibles fósiles harán más atractivo invertir en tecnologías solar.

clusiones finales

iento de las condiciones bajo las cuales se forman los diferentes

repentina de los receptores, cuando operan en condiciones transitorias de generación

e ha funcionado satisfactoriamente en tal proceso, con diferentes flujos de agua y variando el ángulo de incidencia de la irradiancia solar

ntas de potencia con concentradores de canal parabólico ha demostrado por más de quince

e que es posible la generación directa de vapor empleando concentradores de canal parabólico,

s

5.6 Con

Se ha demostrado que técnicamente es factible producir energía eléctrica a partir de la generación directa de vapor empleando concentradores de canal parabólico. Esto se probó experimentalmente en la planta solar del IIUNAM, con capacidad de 2.24 kW, la cual, a pesar de la baja eficiencia global solar-eléctrica (1%), no depende directamente de la etapa solar, sino de la etapa de potencia. Por ello, la parte solar, a pesar del tiempo de operación (20 años), cumple con las expectativas para generar energía eléctrica a partir de energía solar.

Con el conocimpatrones de flujo bifásicos en tuberías horizontales y de las diferentes fases del proceso de ebullición del agua, se ha propuesto el uso de un receptor de pared compuesta Cu-Fe, con apoyo de un estudio teórico y experimental, a fin de eliminar la deformación

directa de vapor. Este receptor Cu-F

(en la parte inferior y la parte lateral).

Con la operación de las plantas SEGS desde 1984 a la fecha, la tecnología de las pla

años la madurez tecnológica para generar energía eléctrica en el orden de MW. Después de operar con aceite térmico o sintético como fluido de transferencia de calor, la tendencia apunta a la generación directa de vapor. Ahora se tiene la certeza d

lo cual ha sido demostrado a escala real en las instalaciones de la Planta Solar de Almería, España, durante el desarrollo del proyecto DISS, cuando se trabajó con flujos másicos elevados en el modo de alimentación del flujo continuo, recirculación e inyección, con temperatura de saturación de agua a 300 °C y presiones de 100 bar.

Esto se ha demostrado también en la Planta Solar del Instituto de Ingeniería, al trabajar en estados transitorios con flujos relativamente bajos, con presiones bajas de 8 bar y temperaturas de saturación cercanas a 200 °C. Los experimentos en dos fases con flujoestratificados, los cuales son mucho más complejos que con flujo anular, han permitido utilizar la GDV en plantas de baja potencia. La siguiente tarea en esta planta será

347

demostrar su operación durante la generación directa de vapor en condiciones de estado estacionario, con el fin de lograr el aprendizaje integral de esta tecnología, involucrando además un sistema de control que permita su operación con el mínimo personal.

irradiancia solar (W/m ) T temperatura ( C)

l del flujo (m)

g fase gas

NOTACIÓN

D diámetro del tubo (mm) L espesor de la pared del tubo (mm) e mitad del perímetro del tubo h coeficiente de transferencia de calor convectivo (W/m2 K) q" flujo de calor por 2

o

k conductividad térmica (W/m K) r radio de la tubería (m) A área de la sección transversal del flujo (m2) dh diámetro hidráulico (m) Nu número de Nusselt Pr número de Prandt Re número de Reynolds S perímetro de la sección transversa m& flujo másico (kg/s, kg/h o L/min)

δ altura del nivel del líquido (m) θ ángulo de humedad, definido por la altura del líquido (grados) η eficiencia µ viscosidad dinámica (N s/m2) ξ factor de fricción

Subíndices

f fase líquido

p pared sat saturación del líquido Cu cobre Fe fierro ∆X/∆Y = 7

348

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352


6. DICCIONARIO TÉCNICO DE TÉRMINOS UTILIZADOS EN ENERGÍA SOLAR

Rafael Almanza

Introducción

Uno de los incentivos que motivó al autor para escribir este diccionario, fue evitar confusiones en los términos utilizados en el lenguaje de energía solar.

En la bibliografía, existen todavía términos relacionados con la evaluación de radiación solar al incidir sobre una superficie: irradiación, insolación, irradiancia, intensidad, radiación, flujo radiante, densidad de flujo radiante, etc, con los cuales pueden presentarse confusiones. Aunque existen publicaciones que recomiendan el uso adecuado para dichos términos, se encuentran documentos donde aún se confunden.

Otro aspecto es el relacionado con propiedades intensivas y extensivas de los materiales. Actualmente, se está tratando de uniformar el sufijo ividad. Éste se aplica a las intensivas, por ejemplo: resistividad eléctrica, conductividad térmica, difusividad, etc. Respecto a las extensivas, el sufijo ancia es el que está representándolas, por ejemplo: resistencia eléctrica o conductancia. En este diccionario pueden encontrarse las definiciones de propiedades intensivas y extensivas.

Sin embargo, esta terminología no se aplica en el área relacionada con la transferencia de calor por radiación. En este caso el sufijo ividad se usa para propiedades radiativas relacionadas con una sustancia ópticamente tersa o lisa y con una superficie no contaminada, por ejemplo: emisividad, reflectividad, etc; mientras que el sufijo ancia como emitancia, reflejancia, etc, se emplea para medir las propiedades donde existe la necesidad de especificar las condiciones de la superficie. El aspecto más complejo se relaciona con la reflectividad (reflexividad), ya que ésta depende no sólo del ángulo con

353

la que incide la energía radiante sobre una superficie, sino también de la dirección que está siendo considerada como energía reflejada. Por tanto, este tema se trata en forma más o menos detallada. Aun así, el término emitancia no sigue rigurosamente esta convención, ya que la emitancia de un cuerpo opaco no varía con el espesor (Siegel y Howell,1992).

Ya que la literatura de transferencia de calor usa el término radiación, éste se presenta como sinónimo de irradiancia, término usado en energía solar. Este último es el recomendable en escritos internacionales para representar la rapidez con la que la energía radiante incide en una superficie por unidad de área.

Sin embargo, se deja a consideración del lector los usos de emisividad o emitancia, reflectividad o reflejancia, absortividad o absortancia, transmitividad o transmitancia, puesto que en la literatura universal, unos usan una alternativa y otros la otra. Asimismo, se considera que algunas definiciones en esta obra, pueden presentar controversia, por lo que se sugiere recurrir a las referencias incluidas u otro documento confiable.

Por lo que se refiere a las siglas, el objetivo de incluirlas es porque algunas de ellas representan conceptos nuevos dentro del campo de la energía solar, de manera que al lector que no esté familiarizado con éstas, pueda tener un concepto al menos general de su significado. Con lo que respecta a las siglas de instituciones mexicanas o internacionales relacionadas con la energía solar, tiene por objeto difundir este libro en los países de lengua hispana, donde éstas no se conocen o no se encuentran fácilmente.

354

A absorbedor. Sustancia con capacidad de absorber parte de un flujo radiante. Véase también receptor.

absorbedor negro. Sustancia ideal cuya superficie tiene la propiedad de absorber todo el flujo radiante que incide sobre ella.

absorbente. Sustancia en cualquiera de sus estados (líquido, sólido o gaseoso) capaz de absorber un flujo radiante.

absortancia (α).Propiedad de un medio en el que se determina qué fracción de energía radiante que viaja a lo largo de una trayectoria, será absorbida dentro de una distancia dada en dicho medio.

absortancia direccional. Absortancia de la irradiancia incidente que proviene de una dirección determinada.

absortancia hemisférica. Absortancia procedente de todas las direcciones, es decir, la comprendida en un ángulo sólido de 2π sr.

absortividad. Propiedad óptica del material para absorber el espectro UV-visible-NIR de la irradiancia solar incidente sobre la superficie terrestre. En forma más general, pro-piedad que tiene un material para absorber una fracción de la energía incidente sobre él.

absortividad espectral direccional. Fracción absorbida de la intensidad de la radiación con un determinado intervalo espectral que incide en una dirección determinada.

absortividad espectral hemisférica. Al integrar todas las direcciones de incidencia de la intensidad de la radiación dentro de un determinado intervalo espectral, a una temperatura T, se obtiene la absortividad espectral hemisférica.

absortividad total direccional. Cuando la intensidad de la radiación es integrada en todas las longitudes de onda del espectro provenientes de una dirección determinada, se obtiene la absortividad total direccional.

absortividad total hemisférica. Cuando se integra la intensidad de la radiación en todas las direcciones de incidencia y el espectro completo de longitudes de onda a una temperatura T, se obtiene la absortividad total hemisférica.

acimut. Véase ángulo acimutal solar.

acondicionamiento del aire. Proceso general del tratamiento de aire para controlar simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución, con el fin de alcanzar el confort prestablecido.

actinómetro. Dispositivo para medir el flujo de irradiancia solar.

355

acumulador. Sistema donde se puede almacenar energía para cederla y aprovecharla en diferentes usos.

acumulador de calor. Masa sólida, líquida o gaseosa, generalmente con capacidad calorífica elevada, usada en un acumulador.

adobe. Material arcilloso utilizado en la construcción de muros, en unidades de mayor tamaño que los ladrillos, y cuya baja conductividad térmica proporciona buen aislamiento térmico de las habitaciones.

adsorbente. Sólido o líquido que adsorbe otras sustancias.

adsorción. Retención superficial de moléculas por sólidos o líquidos.

aerosol. Suspensión gaseosa de partículas ultramicroscópicas en forma de líquido o sólido.

afelio. El punto sobre la órbita planetaria más lejana del Sol.

agua salobre. Agua salada con valores de salinidad dentro de un intervalo aproximado de 0.50 a 17.0 partes por mil. En forma más general, agua con menos sal que el agua de mar, pero no al grado de ser potable.

álabe. Parte de una turbina que recibe la energía cinética de un fluido para transmitirla a un rodete o disco en forma de energía mecánica, donde finalmente se monta en un eje algún dispositivo para su uso.

albedo. Fracción de la irradiancia incidente que se refleja principalmente de la Tierra a la atmósfera.

altitud solar (αs). Ángulo comprendido entre una recta que une al Sol con un objeto u observador y la horizontal, donde se localizan éstos últimos. Este ángulo es el complemento del ángulo cenital.

amanecer. Periodo cuando se considera que el Sol asoma en el horizonte.

amorfo. Sólido no cristalino, es decir, sin estructura bien definida.

ANES. Siglas de la Asociación Nacional de Energía Solar, AC (México).

ángulo acimutal solar (γs). Ángulo medido en el sentido del giro de las manecillas del reloj, entre el norte geográfico y la proyección sobre el horizonte de la posición del Sol.

ángulo de borde. Ángulo formado por el eje de un concentrador (tipo parabólico) y la línea imaginaria que va desde su borde al punto focal.

ángulo de incidencia. Ángulo formado por un rayo (incidencia solar directa, láser, luz colimada, etc) y la línea perpendicular a la superficie de incidencia.

ángulo de incidencia normal. Ángulo de incidencia de 90º a la superficie colectora.

ángulo de inclinación. Ángulo formado por la horizontal y la superficie del colector.

356

ángulo de reflexión. Ángulo que se forma por la irradiancia solar directa reflejada y la normal al captador solar.

ángulo de refracción. Ángulo formado por un rayo de la irradiancia solar directa sobre un material transparente y su trayectoria al entrar a dicho medio transparente (vidrio, agua o aire).

ángulo horario (ϖ). Posición angular del Sol hacia el este u oeste respecto del sur geográfico. A medio día, su valor es cero (positivo por las tardes y negativo por las mañanas). Su valor es de 15º por hora. Sin embargo, algunos autores lo definen con los signos al revés.

ángulo sólido (Ω). Superficie cerrada formada por todos los rayos que convergen en un punto. Dicha superficie está en el lado opuesto de dicho punto y el ángulo sólido se mide en esterradianes (sr). El ángulo sólido de una esfera es 4π sr. También puede definirse como el despliegue angular en tres dimensiones; hacia el vértice de un cono medido por el área interceptada por dicho cono, sobre una esfera unitaria cuyo centro es el vértice del cono mencionado.

antirreflejante. Película antirreflejo. Evita que se refleje la irradiancia solar.

apertura de un concentrador. Proyección del área de un concentrador a través de la cual la irradiancia solar que todavía no ha sido concentrada incide sobre dicho concentrador.

apogeo. Punto en la órbita de un cuerpo con mayor distancia al centro de la órbita.

área captadora. Superficie máxima de un colector que capta la irradiancia solar.

arquitectura bioclimática. Soluciones óptimas en el diseño de una edificación al considerar parámetros meteorológicos y ambientales así como orientaciones para lograr confort en dicha vivienda.

arquitectura solar. Solución óptima en el diseño de una vivienda tomando en cuenta la irradiación global solar a lo largo del año.

arquitectura vernácula. Arquitectura propia de una región, que utiliza los materiales propios de ella. Se basa en el dominio de técnicas y sistemas constructivos ancestrales.

arreglo tándem. Arreglo de dos o más películas fabricadas una sobre la otra.

arsenuro de galio (GaAs). Material cristalino con un punto de fusión a 1 238°C. Se utiliza en la fabricación de celdas fotovoltaicas.

ASES. Siglas en inglés de la Sociedad Americana de Energía Solar, de EUA (American Solar Energy Society).

astigmatismo. Defecto de un sistema óptico debido a la refracción del lente o reflejancia de un espejo que da una imagen distorsionada. También se conoce como la

357

incapacidad de un objetivo para enfocar en un mismo plano líneas horizontales y verticales, cuando éstas están cercanas a los bordes de la lente o el espejo.

ASTM. Siglas en inglés de la Sociedad Americana de Normas para Materiales, de EUA (American Society for Testing Materials).

Atenuación. Reducción de irradiancia solar debida a la dispersión o absorción del medio transmisor.

Atenuación atmosférica. Atenuación de la irradiancia solar debida a la atmósfera.

AWEA. Siglas en inglés de la Asociación Americana de Energía Eólica (American Wind Energy Association).

Azimut. Véase ángulo acimutal solar.

B banda de conducción. Banda de energía en la que los electrones se pueden mover libremente en un sólido o semiconductor, por lo que se produce un transporte neto de carga.

banda de valencia. Máxima energía de banda electrónica en un semiconductor o aislante que se puede llenar con electrones.

banda prohibida. Intervalo de energías prohibidas en la teoría de banda de semiconductores.

barrera de potencial. Potencial en una región donde la fuerza ejercida sobre una partícula se opone a que ésta pase a través de dicha región.

barrera Schottky. Región de transmisión formada dentro de un semiconductor que sirve como barrera rectificadora en la unión con una capa metálica.

basa. Base en la que se apoya una columna. Es conocida también como zapata.

batería. Fuente de corriente directa hecha de una o varias unidades que convierten energía química, térmica, nuclear o solar en energía eléctrica.

bioclima. Factores climáticos que actúan sobre una comunidad. Éste está determinado por los vegetales y animales del entorno.

bioconversión. Conversión de materia orgánica a una forma más útil de energía mediante procesos biológicos.

biodegradable. Característica de una sustancia que puede ser descompuesta por microorganismos.

biodiversidad. Conjunto de especies animales y vegetales que viven en un espacio determinado.

358

biomasa. Materia no fosilizada proveniente de entes biológicos.

biósfera. Vida de seres sobre la Tierra, que incluye la parte baja de la atmósfera, la hidrósfera, el suelo y la litósfera hasta una profundidad de 2 km aproximadamente. La materia a nivel molecular interacciona con seres vivientes que se encuentran en su entorno.

blindaje. Véase recubrimiento metálico.

bolómetro. Instrumento que mide la energía de origen electromagnético, generalmente solo para ciertos intervalos de longitud de onda por medio del cambio de resistencia de un conductor delgado, originando el calentamiento de esta resistencia por la radiación electromagnética incidente.

bomba de calor. Dispositivo que transfiere calor de un cuerpo frío a uno más caliente, gastando energía mecánica en el proceso. Se considera que su principal objetivo es calentar el dispositivo de alta temperatura en lugar de enfriar el de menor temperatura.

bóveda. Estructura con perfil en forma de arco que cubre un espacio entre muros o diferentes pilares.

brillante. Que emite o refleja mucha luz, que tiene luminosidad.

brillantez. Véase luminancia.

brillar. Emitir o reflejar algo con una luz intensa.

C caldera. Dispositivo para transformar, por medio de combustión u otros fenómenos físicos y químicos, calor que se transfiere a un fluido.

caldera solar. Dispositivo localizado en el foco de un sistema de enfoque solar.

calefacción solar. Conversión de irradiancia solar en calor por medio de dispositivos tecnológicos, para el confort humano.

calor de fusión. Diferencia entre los valores de la entalpía del líquido saturado y el sólido saturado a una misma presión. Más brevemente: diferencia entre las entalpías de saturación entre líquido y sólido a una misma presión.

calor de reacción. Cambio de entalpía que acompaña a una reacción química a presión constante. También se puede definir como el negativo del cambio en la energía interna que acompaña a una reacción química a volumen constante.

calor específico. Razón de la energía necesaria para elevar la masa de un material sólo un grado de temperatura a la cantidad de energía requerida para elevar una masa igual de una sustancia de referencia, usualmente agua, también sólo un grado de temperatura.

359

calor latente de fusión. Cantidad de energía necesaria para la transformación de un sólido en líquido.

calor latente de sublimación. Cantidad de energía necesaria para la transformación de un sólido en vapor.

calor latente de vaporización. Cantidad de energía necesaria para la transformación de un líquido en vapor.

calor sensible. Calor absorbido o producido por una sustancia durante un cambio de temperatura y que no es acompañado por un cambio de estado.

calorímetro. Instrumento usado para medir la cantidad generada de calor o emitida por materiales durante procesos, que pueden ser reacciones químicas, cambios de estado o formación de soluciones.

cambio de fase. Metamorfosis que sufre un material o mezcla, que permite cambiar de una fase a otra, como de gas a líquido, de sólido a gas, etc.

camino óptico. Espesor de un material óptico multiplicado por su índice de refracción.

campo de helióstatos. Conjunto de helióstatos que reflejan la irradiancia solar directa hacia un receptor central que se localiza en una torre.

campo fotovoltaico. Conjunto de páneles fotovoltaicos que constituyen una instalación solar para la generación de electricidad.

campo solar. Conjunto de dispositivos o colectores solares que constituyen una instalación solar.

candela. Unidad de intensidad luminosa en el SI. Se define como 1/60 de la intensidad luminosa de un centímetro cuadrado de un cuerpo negro, a la temperatura de fusión del platino (1769ºC).

cañón de electrones. Dispositivo utilizado para evaporar películas sobre un sustrato, usando un haz de electrones.

capa metálica. Véase recubrimiento metálico.

capacidad calorífica. Cantidad de calor requerida para elevar un sistema un grado de temperatura en una forma específica; usualmente a presión o volumen constante.

capacidad de almacenamiento térmico. Cantidad de energía en una sustancia que se puede almacenar y usar posteriormente.

capacidad residual. Capacidad de un acumulador eléctrico que ya no puede ser utilizada.

capacidad útil. Capacidad de un acumulador eléctrico para ser descargado antes de llegar a su capacidad residual.

capitel. Elemento superior sobre el fuste de columnas o pilastras.

360

captación solar. Fenómeno que consiste en la transformación de irradiancia solar en otra forma de energía útil.

captación solar directa. Captación solar debida sólo a la irradiancia solar directa.

captador solar. Instalación diseñada para convertir y acumular la energía proveniente del Sol que incide en forma de irradiancia solar.

captador solar plano. Captador solar en el cual el área del absorbedor es igual a la apertura. Típicamente es un captador solar con una o dos cubiertas de vidrio y aislado térmicamente; transfiere calor al fluido que circula por él.

carga. Cantidad de electricidad que utiliza un consumidor cuando se conecta al sistema que la suministra.

carga eléctrica. Cantidad de electricidad que usa un sistema conectado a la red o al sistema que suministra electricidad.

carga pico. La máxima carga sobre un sistema generador de electricidad, de manera que este sistema debe ser capaz de poder generar tal electricidad a tal carga en un periodo predeterminado con anterioridad.

carga térmica. Cantidad de calor por unidad de tiempo que se debe suministrar o eliminar a un edificio para mantener una temperatura predeterminada.

carta cilíndrica. Mapa resultante de la proyección de meridianos y paralelos geográficos sobre un cilindro que es tangente o intercepta la superficie de una esfera.

carta solar. Representación gráfica que muestra la posición del Sol en cualquier época del año en una latitud dada.

casa solar. Vivienda que utiliza energía solar como fuente única o principal de suministro energético.

cátodo fotoeléctrico. Superficie fotosensible que emite electrones cuando se expone a la irradiancia solar u otra fuente radiante.

cátodo fotovoltaico. Véase cátodo fotoeléctrico.

celda fotoeléctrica. Véase celda fotovoltaica.

celda fotoelectrolítica. Dispositivo que utiliza la irradiancia solar en procesos químicos electrolíticos.

celda fotoelectroquímica. Dispositivo que produce voltaje y corriente utilizando técnicas combinadas de métodos fotoquímicos y electroquímicos, generalmente donde se realizan los procesos químicos de oxidación-reducción expuestos a la irradiancia solar.

361

celda fotogalvánica. Celda electroquímica donde cambios de corriente o voltaje son resultado de cambios generados fotoquímicamente en las concentraciones relativas de reactivos, comúnmente en una solución por fase oxidación-reducción.

celda fotovoltaica. Dispositivo que detecta o mide radiación electromagnética al generarse un potencial en una unión de dicha celda. Convierte la irradiancia solar en corriente eléctrica por el efecto fotoeléctrico.

celda multiunión. Celda solar fabricada de dos o más materiales, cada uno con una eficiencia óptima en un intervalo espectral limitado de la irradiancia solar.

CENIDET. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (México). Realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

cenit. Punto de intersección de la esfera celeste o del globo terráqueo con la vertical del observador.

central fotovoltaica. Central solar que produce electricidad por medio de módulos o páneles fotovoltaicos.

central solar. Central que usa la irradiancia solar global o directa para generar electricidad por procesos fototérmicos o fotovoltaicos.

central solar de chimenea. Central solar que utiliza un captador solar plano de gran extensión para calentar aire, éste se mueve por convección natural en una chimenea de una altura del orden de 200 m o más y, finalmente, genera electricidad con una turbina de viento.

central solar orbital. Central solar que hace uso de satélites estacionarios con celdas fotovoltaicas que producen electricidad, la cual se trasmite a la Tierra por medio de microndas. (Se encuentra en desarrollo.)

central solar-térmica. Central solar que produce electricidad por procesos fototérmicos usando concentradores solares.

central solar-térmica de concentradores distribuidos. Central solar-térmica que utiliza generalmente concentradores tipo canal parabólico o paraboloides de revolución.

central solar-térmica de receptor central o torre central. Central solar-térmica que emplea helióstatos que enfocan la irradiancia solar directa en un receptor ubicado a una altura del orden de 60 m o más.

CESA. Central Solar de Almería, en España. Es un sistema de receptor central con 300 helióstatos.

CFE. Comisión Federal de Electricidad (México). Patrocina proyectos de investigación en energía solar, entre otros; además ejecuta y realiza instalaciones aprovechando fuentes renovables de energía incluyendo la solar.

362

CI. Índice de temperatura-humedad. Da un valor numérico, en general dentro del intervalo de 70 a 80, que refleja las condiciones atmosféricas externas de temperatura y humedad como una medida de confort (o disconfort) durante la temporada calurosa del año; es igual a 15 más 0.4 veces la suma de temperatura de bulbos seco y húmedo en grados Fahrenheit.

CIBNOR. Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, en La Paz, Baja California Sur. Esta institución realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

ciclo de Brayton. Ciclo termodinámico donde se llevan a cabo dos procesos a presión constante y otros dos a entropía constante. Se utiliza para turbinas de gas. Se usa actualmente en un ciclo combinado con dichas turbinas y centrales de canal parabólico, que generan vapor y electricidad.

ciclo de Carnot. Ciclo termodinámico ideal teórico para evaluar la máxima eficiencia de cuatro procesos reversibles en sucesión: expansión isotérmica con adición de calor, expansión isoentrópica, compresión isotérmica con proceso de rechazo de calor, y finalmente una compresión isoentrópica. Cualquier otra eficiencia termodinámica es menor que este ciclo. Si en este ciclo se recibe calor a una temperatura T1 y se rechaza a una temperatura T2 , la eficiencia es (T1- T2)/ T1.

ciclo de Rankine. Ciclo termodinámico que consiste en la adición de calor a presión constante en una expansión isoentrópica, rechazando calor residual a presión constante en una compresión isoentrópica. Se usa principalmente en sistemas solares donde se genera vapor como fluido de trabajo.

ciclo termodinámico. Procedimiento o arreglo en que un material realiza un proceso cíclico que incluye una forma de energía, como calor a una temperatura elevada proveniente de una combustión, donde parte se convierte a otra forma de energía como la mecánica, y el calor restante se rechaza a menor temperatura hacia un sumidero.

cielo opaco. Cantidad de cielo cubierto (en décimos) por nubes.

cielo transparente. Condiciones atmosféricas a través de las cuales se puede observar el cielo con color azul.

CIEMAT. Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, en España. Patrocina proyectos de energía solar, entre otros.

CIE-UNAM. Centro de Investigaciones en Energía, UNAM, en México. Realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

CINVESTAV-IPN. Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, en México. Lleva a cabo proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

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circuito primario. En un sistema solar, circuito por donde circula el fluido de transferencia de calor,

circuito secundario. En un sistema solar, circuito por donde circula el fluido de trabajo.

circulación. Movimiento de un fluido por un circuito.

circulación forzada. Circulación de un fluido por medio de una bomba mecánica.

circulación natural. Circulación de un fluido por convección natural, la cual se debe a la diferencia de densidades del fluido calentado por la energía solar.

claridad. Véase luminosidad.

climatización. En un espacio cerrado, acondicionamiento del aire a una temperatura y humedad prefijadas para alcanzar confort ambiental.

climatizador. Dispositivo utilizado para regular la temperatura y la humedad de un espacio cerrado.

clímax. Conglomerado vegetal en equilibrio y estable, dentro de determinada área geográfica, con factores climáticos estables y en equilibrio.

CNA. Comisión Nacional del Agua, en México. Dependencia gubernamental que patrocina algunos proyectos de energía solar.

CNRS. Siglas en francés del Centro Nacional de la Investigación Científica, en Francia (Centre National de la Recherche Scientifique), que patrocina proyectos de energía solar, entre otros.

cocina solar. Concentrador solar para la cocción de alimentos por medio de concentración de la irradiancia solar directa.

cocina solar con páneles fotovoltaicos. Parrilla eléctrica para la cocción de alimentos, que se alimenta mediante un acumulador eléctrico, el cual se carga con páneles fotovoltaicos.

cocina solar parabólica tipo canal. Dispositivo para la cocción de alimentos con un concentrador cilíndrico parabólico. En éste se calienta aceite como fluido de transferencia de calor, el cual se utiliza después en un serpentín que contiene el recipiente donde se van a cocer los alimentos.

cocina solar tipo invernadero. Caja aislada térmicamente con espejos laterales para cocción de alimentos. La caja tiene una cubierta transparente y funciona también bajo el efecto de invernadero.

cocina solar tipo paraboloide de revolución. Dispositivo para la cocción de alimentos en forma de plato parabólico, tipo sombrilla o paraguas, donde cada sección es parte de un platillo parabólico. La cocción se lleva a cabo directamente sobre el recipiente que recibe la irradiancia directa enfocada.

364

coeficiente de absorción (α). Si un flujo (energía, sonido, etc) a través de un material disminuye con la distancia x en proporción a e-αx, entonces α se conoce como coeficiente de absorción. También se conoce como razón de absorción

coeficiente de atenuación. Capacidad espacial de atenuación, en un material, para cualquier radiación electromagnética transmitida.

coeficiente de difusión. La ley de difusión establece que el flujo másico de un constituyente por unidad de área es proporcional al gradiente de concentración. El coeficiente de proporcionalidad se conoce como coeficiente de difusión.

coeficiente de eficiencia. Razón de la energía útil suministrada por un sistema dinámico dividida entre la energía suministrada a éste, durante un periodo de operación.

coeficiente de extinción (K). El coeficiente de extinción K está dado por K = αλ/4π donde λ es longitud de onda en vacío y α el coeficiente de absorción de un material.

coeficiente de reflexión. Relación de la amplitud de una onda reflejada por una superficie dividida entre la amplitud de la onda incidente.

coeficiente de transferencia de calor. Cantidad de calor que pasa a través de una unidad de área de un medio o sistema en una unidad de tiempo, cuando la diferencia de temperatura entre las superficies del sistema es un grado.

coeficiente de transmisión. Valor de la cantidad asociada con la resultante producida por las ondas reflejadas en un punto dado del medio de transmisión, dividido entre el valor asociado con la onda incidente.

coeficiente de turbidez. Factor en la ley de absorción que describe la extinción de la luz incidente.

coeficiente de turbidez de Angström. Véase fórmula de turbidez de Angström.

cogeneración. Generación de electricidad sumada al uso de calor de desecho, en forma de vapor o agua caliente, usando la misma cantidad de combustible que en la operación unitaria de generación de electricidad.

cogeneración solar-térmica. Producción conjunta de electricidad entre una planta solar y una planta convencional eléctrica.

colector solar. Dispositivo diseñado para absorber la irradiancia solar, y convertirla en energía útil, generalmente calor. Véase también captador solar.

colector solar evacuado. Colector solar construido con tubos metálicos cubiertos con tubos de vidrio concéntricos. Éstos se aíslan con alto vacío, de manera que existe un aislante térmico casi perfecto. El objetivo es minimizar las pérdidas por convección y conducción casi a cero.

365

colimador. Instrumento que produce rayos paralelos de luz. También se conoce como el dispositivo que confina los elementos de un haz dentro de un ángulo sólido predeterminado.

columna de agua. Columna tabular localizada en la zona de agua o vapor de una caldera. Sirve para alimentar medidores periféricos protectores.

combustibles fósiles. Conjunto de sustancias líquidas como el petróleo, sólidas como el carbón, o gaseosas como el gas natural (metano) que son combustibles.

compuesto eutéctico. Mezcla de sustancias que se funden a temperatura más baja que sus constituyentes.

CONACYT. Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, en México. Dependencia gubernamental que patrocina proyectos de energía solar, entre otros.

CONAE. Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, en México. Organiza reuniones sobre energía solar y otras fuentes renovables.

concentración solar. Enfoque de irradiancia solar directa proveniente de un área mayor hacia un área menor, generalmente con el objetivo de alcanzar temperaturas altas, usualmente mayores de 100°C.

concentrador canal parabólico o cilíndrico-parabólico. Concentrador de foco lineal constituido por una superficie reflejante cilíndrica con una geometría de parábola en su perfil.

concentrador parabólico compuesto (CPC). Concentrador que alcanza el límite termodinámico de concentración C = 1/senθa en dos dimensiones, o C = 1/sen2θa en tres dimensiones, donde θa es la mitad del ángulo de aceptación. En energía solar este concentrador es estacionario y está formado, cuando el absorbedor es plano o tubular, por dos reflectores parabólicos que forman un canal y están unidos longitudinalmente. El absorbedor se encuentra en su parte inferior, de manera que toda la irradiancia que se recibe en su apertura se enfoca a dicho receptor.

concentrador solar. Dispositivo óptico que permite que mediante espejos o lentes se concentre la irradiancia solar directa.

concentrador solar con foco lineal. Concentrador formado por espejos planos rectangulares y longitudinales, o por una parábola tipo canal, de manera que la irradiancia solar directa se enfoca sobre un absorbedor longitudinal. Necesita seguimiento continuo del movimiento aparente del Sol.

concentrador solar con foco puntual. Concentrador formado por un paraboloide de revolución que enfoca la irradiancia solar directa en un punto o zona de área muy limitada.

366

concentrador solar fijo. Concentrador tipo CPC u otro en que el absorbedor se mueve; por ejemplo, un concentrador formado por un casquete semiesférico con absorbedor lineal.

concentrador solar fotovoltaico. Concentrador solar utilizado para incrementar la irradiancia solar sobre un absorbedor fotovoltaico.

concentrador solar tipo Fresnel. Concentrador formado por espejos planos longitudinales en posición horizontal, que siguen el movimiento aparente del Sol y enfocan la irradiancia solar directa sobre un absorbedor lineal. Los espejos tienen una orientación norte-sur u oeste-este.

conducción térmica. Flujo de energía térmica que atraviesa una sustancia de una región de mayor temperatura a una de menor temperatura.

conductancia térmica. Cantidad dada por la transferencia de calor a través de un cuerpo dividido por la diferencia de temperatura a través de las superficies que lo conforman.

conductividad térmica, coeficiente de conductividad o conductividad calorífica (k). Flujo de calor a través de una superficie por unidad de área y por unidad de tiempo, dividido entre el negativo de la rapidez de cambio de temperatura con la distancia en una dirección perpendicular a la superficie.

conductor térmico. Sustancia con conductividad térmica relativamente alta.

confort. Anglicismo que indica las condiciones bajo las cuales, la mente y el cuerpo, expresan satisfacción con el medio ambiente.

confort térmico. Sensación subjetiva de calor o frío que depende de la temperatura ambiente.

confort higrotérmico. Sensación subjetiva que expresa satisfacción o insatisfacción de acuerdo con las condiciones de humedad y temperatura. Adquiere importancia en regiones húmedas.

constante solar. Rapidez de irradiancia solar global fuera de la atmósfera a todas las longitudes de onda, incidente sobre una unidad de área y expuesta normalmente a los rayos del Sol. Su valor promedio a lo largo de diferentes años y por diferentes grupos pertenecientes al WRC, es de 1 367 W/m2 .

convección forzada. Convección térmica en la que el fluido se mueve por un agente externo, generalmente mecánico.

convección libre. Véase convección natural.

convección natural. Convección térmica en la que el fluido en movimiento es el resultado de la presencia de un cuerpo caliente en contacto con tal fluido, que le

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provoca gradientes de temperatura y por tanto de densidad, de manera que el fluido se mueve bajo la influencia de la gravedad.

convección térmica. Transferencia de energía térmica debida al movimiento físico de un sitio a otro de una sustancia que absorbe calor; ésta logra obtener energía térmica que se almacena para uso posterior.

conversión de energía. Proceso para cambiar energía de una forma a otra.

conversión directa de energía. Conversión de energía térmica o química en potencia eléctrica por medio de generadores directos de potencia.

conversión fotoeléctrica. Conversión directa de energía solar (irradiancia solar) en eléctrica por medio de una celda fotoeléctrica.

conversión fotoquímica. Conversión de irradiancia solar en energía química por medio de reacciones químicas influidas por tal irradiancia, principalmente la ultravioleta.

conversión fototérmica. Conversión de la irradiancia solar en calor útil.

conversión fotovoltaica. Véase conversión fotoeléctrica.

conversión solar en termoeléctrica. Conversión de la irradiancia solar en energía eléctrica, por medio de calor; se usa generalmente en naves espaciales.

conversión solar termodinámica. Conversión de irradiancia solar en energía mecánica por medio de un ciclo termodinámico.

conversión termoiónica o termiónica. Conversión de energía solar o térmica en electricidad usando generadores termiónicos.

conversión termoquímica. Conversión de energía térmica en energía química por medio de una reacción endotérmica que se produce a temperaturas elevadas. Se usa comúnmente en sistemas de almacenamiento de energía, y posteriormente, mediante una reacción exotérmica, se utiliza dicha energía.

convertidor termiónico. Dispositivo que tiene dos electrodos, uno de los cuales se eleva a alta temperatura por energía solar. Éste se convierte en un emisor termiónico de electrones, mientras que el otro funciona como colector de éstos.

convertidor termoeléctrico. Convertidor que cambia la energía solar u otra fuente de calor en energía eléctrica.

COP. Es coeficiente de desempeño, por sus siglas en inglés (coefficient of performance). En un ciclo de refrigeración, es la razón de la energía calorífica extraída por la máquina de calor a baja temperatura respecto al trabajo suministrado para operar el ciclo.

corriente de portadores. Movimiento de portadores en un semiconductor bajo la influencia de un voltaje aplicado.

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cristal. Sólido homogéneo, formado de un elemento, compuesto químico o mezclas isomorfas, a través del cual los átomos o moléculas están arreglados en un modelo repetitivo y simétrico.

cromogénesis. Término utilizado para indicar el cambio de propiedades ópticas de los materiales. En particular, se usa más frecuentemente en el cambio de transmitancia de un material transparente al depositarle películas.

cuanto. Véase quántum.

cubierta. Lámina o película, transparente o translúcida que cubre un captador o absorbedor solar con el fin de reducir pérdidas por convección y conducción.

cuerpo negro. Cuerpo ideal que absorbería toda radiación incidente y no reflejaría nada.

cúpula. Bóveda generalmente semiesférica o paraboloide.

curva característica corriente-voltaje. Es la gráfica donde se presenta la corriente de salida de un dispositivo fotovoltaico como función del voltaje de salida a una temperatura e irradiancia particular.

curva de carga. Gráfica que muestra la potencia suministrada por un sistema de potencia eléctrica versus tiempo.

curva de transmisión espectral. Representación gráfica de la transmitancia de un cuerpo transparente o traslucido en función de la longitud de onda en el espectro solar.

Ch chapitel. Remate en forma de punta de una torre.

chimenea solar. Tubo vertical con altura del orden de 200 m, por el que circula aire caliente por convección. Este flujo proviene de colectores solares que se calientan en su base.

CHUmean. Siglas en inglés de centigrade heat unit. Es la unidad de energía calorífica igual a 0.01 de la cantidad calor necesaria para elevar una libra de aire seco de 0 a 100ºC, a presión constante de una atmósfera; su equivalente en joules es 1 900.44.

D declinación solar (δ). Declinación es la medida de la posición angular del Sol en cada época del año respecto al Ecuador. El círculo que pasa por esta posición, se conoce como círculo horario del Sol, con un valor de -23.45º ≤ δ ≤ 23.45º.

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degradación solar. Fenómeno que consiste en el deterioro de un material expuesto a la irradiancia solar.

densidad de flujo energético. Flujo energético por unidad de superficie.

densidad de flujo solar (W/m2). Véase irradiancia.

densidad óptica. El grado de opacidad de un medio translúcido expresado por logI0/I, donde I0 es la intensidad del rayo incidente e I la intensidad del rayo transmitido.

desalación solar. Procedimiento utilizado para evaporar agua de mar o salmuera con calor solar. Con esta técnica se puede producir NaCl u otro tipo de sal, así como agua potable. También se pueden usar celdas fotovoltaicas para desalación por ósmosis inversa, ozonación, etc.

desalación solar por etapas. Uso de plantas de tipo multiefecto o etapa múltiple para la desalación solar usando salmuera calentada por energía solar.

desarrollo sustentable. Proceso por medio del cual se pueden cubrir en forma permanente tanto las necesidades materiales como espirituales de los habitantes, sin causar deterioro en las condiciones ambientales o incluso mejorándolas, para lograr el sustento de dichos habitantes.

descarga térmica. Transferencia de calor acumulado en un almacén térmico para usarlo en aplicaciones térmicas.

desestratificador. Dispositivo que se utiliza para evitar la estratificación térmica de un fluido en un almacén.

desinfección solar. Eliminación de organismos patógenos en sustancias líquidas contaminadas, principalmente agua, por medio de la elevación de su temperatura con colectores o concentradores solares. El proceso utilizado para dicha desinfección es la pasteurización.

desintoxicación solar. Eliminación o transformación de residuos tóxicos en agua, fundamentalmente de tipo orgánico, por medio de radiación ultravioleta. Esta última se utiliza con un fotocatalizador que produce un par de electrones que generan una foto-oxidación o foto-reducción de los contaminantes presentes en el agua contaminada.

desorción. Proceso para la eliminación de una sustancia sorbida invirtiendo el proceso de absorción o adsorción.

destilación solar. Desalación solar de agua salobre usando plantas de múltiple efecto o etapa múltiple.

destilador solar. Dispositivo para evaporar y condensar agua. El agua se confina en una o varias casetas cubiertas por uno o dos vidrios inclinados, donde se calienta por efecto de invernadero y por absorción de la irradiancia solar que incide sobre una charola. Ésta se localiza en la base del dispositivo donde se coloca la salmuera que se desea convertir

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en agua desalada. Finalmente, el agua evaporada se condensa en las cubiertas de vidrio y se almacena en un recipiente.

día sideral. Tiempo que transcurre entre dos pasos consecutivos de una estrella por el meridiano local. Representa el periodo de rotación de la Tierra medido con respecto a las estrellas, el cual puede considerarse como el periodo verdadero de rotación, con una duración de 23 h, 56 min, 4.091 s.

día sidéreo. Véase día sideral.

día solar aparente. Tiempo transcurrido durante una rotación de la Tierra sobre su eje y con respecto al Sol aparente.

día solar medio. Periodo de la duración de una rotación de la Tierra sobre su eje, con respecto a un Sol promedio a lo largo del año.

diatérmano. Capaz de transmitir calor radiante.

dieléctrico. Que no conduce electricidad.

difusión de impurezas. Cuando una sustancia se difunde en un semiconductor en pequeñas cantidades, suministra electrones o huecos libres a dicho material.

difusión de radiación. Transmisión de radiación electromagnética en todas direcciones por un cuerpo capaz de efectuarla.

difusión salina. Difusión molecular de la sal disuelta en un líquido a través de todo su volumen.

difusión térmica. Fenómeno en el cual la existencia de un gradiente térmico en una mezcla de fluidos, da lugar al flujo de uno de sus constituyentes.

difusividad másica. Véase coeficiente de difusión.

difusividad térmica. Cantidad de calor que pasa normalmente a través de una unidad de área por unidad de tiempo dividida entre el producto del calor específico, densidad y gradiente de temperatura.

difusor. Ducto, cámara o sección por medio del cual un fluido a alta velocidad y baja presión se convierte en fluido de alta velocidad y alta presión. En estanques solares se conoce como el dispositivo para inyectar salmuera concentrada en la zona del gradiente salino cuando éste se desestabiliza.

diodo Schottky. Junta o barrera formada por el contacto directo de materiales semiconductores con un metal. Este tipo de contacto rectifica señales y puede también presentar alguna resistencia.

diodo semiconductor. Semiconductor de dos electrodos que utiliza las propiedades rectificadoras de una unión pn.

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diodo Zener. Diodo semiconductor de interrupción, el cual se fabrica generalmente de silicio y donde la función de interrupción del voltaje inverso se basa en el efecto Zener.

disconfort. Significa ausencia de confort, es decir, condiciones ambientales bajo las cuales el ser humano se siente incómodo.

disolución. Fenómeno que consiste en la dispersión de una sustancia en otra; la resultante es una sustancia homogénea.

disolvente. Parte de una solución que está presente en mayor cantidad o es el compuesto que está en forma de líquido.

distancia focal. Distancia del punto focal de una lente o espejo curvo al punto principal.

distribución de Fermi. Distribución de la energía de los electrones en un semiconductor.

DLR. Siglas en alemán de la Institución Alemana para la Investigación Aeroespacial (Deutsche Forschungsanstalt für Luft-und Raumfahrt), donde se realizan proyectos de energía solar, entre otros.

DNI. Siglas en inglés de irradiancia normal directa (direct normal irradiance), medida con un pirheliómetro o evaluada en forma indirecta por un piranómetro de banda rotatoria. Ésta se puede estimar también mediante mediciones de irradiancia global y difusa por medio de piranómetros.

DOE. Siglas en inglés de la Secretaría de Energía, en EUA (Department of Energy), que es la dependencia responsable de patrocinar proyectos de energía, incluyendo los de energía solar.

domo translúcido. Ventana en el techo de una habitación que transmite luz visible en forma difusa por medio de un material translúcido.

donador. Impureza añadida a un semiconductor puro para aumentar el número de electrones libres.

dopado. Adición de impurezas a un semiconductor para obtener una característica deseada, como la producción de material n o p.

DSG. Siglas en inglés de generación directa de vapor (direct steam generation). Véase GDV.

E ebullición. Cuando un líquido está en contacto con una pared sólida y ésta excede la temperatura de saturación del líquido, al cambio de líquido a gas se le llama ebullición. Es importante recalcar que este fenómeno tiene como característica la formación de burbujas de vapor sobre la superficie del sólido, debido a las altas temperaturas que

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llega alcanzar el flujo de calor sobre éste. Existen tres tipos de ebullición: de película, de convección forzada y de convección natural, involucrándose en cada uno toda la masa del líquido. Este fenómeno ocurre cuando la presión de vapor saturado es igual o mayor que la presión externa.

eclíptica. Plano de la órbita de la tierra alrededor del Sol. Círculo máximo que recorre el Sol en su movimiento aparente dentro de la esfera celeste, a lo largo de un año. Intersección del plano de la órbita de la Tierra con la esfera celeste.

ecología. Rama de la biología que estudia las interrelaciones de los organismos con su medio ambiente, tomando en cuenta los factores físicos externos sobre dichos organismos.

ecosistema. Organismos vivos en un determinado ambiente que lo modifican interactuando entre sí.

ecuación de tiempo. Relación que ajusta el tiempo solar y el tiempo estándar con el meridiano y longitud del lugar. Se debe a: 1) la excentricidad de la órbita de la Tierra y 2) la oblicuidad de la eclíptica o inclinación del eje terrestre respecto a la órbita.

Ecuador. Círculo alrededor de la Tierra, equidistante de los polos norte y sur, y que divide a nuestro planeta en dos hemisferios.

Ecuador celeste. El gran círculo primario de la esfera celeste en el sistema ecuatorial, donde cualquier punto está a 90º de los polos celestes.

efecto de invernadero. Característica de ciertos vidrios, como el de cal-sosa (soda-lime) con alto contenido de Fe2O3 y FeO, los cuales tienen la propiedad de ser opacos a partir de la longitud de onda de 3.0 µm en la parte infrarroja del espectro solar, por lo que la irradiancia solar, principalmente en su espectro visible, pasa a través de ellos. Una vez absorbida la mayor cantidad de dicha radiación por un cuerpo que se encuentre detrás del vidrio, se queda atrapada dentro del sistema cerrado, transformándose en radiación infrarroja (calor). Ya que ésta no puede transmitirse a través del vidrio, la temperatura del sistema se eleva. Este fenómeno se conoce como efecto de invernadero. De forma más general, es el efecto creado por la atmósfera de la Tierra cuando absorbe calor del Sol, y la atmósfera actúa como un vidrio.

efecto fotoeléctrico. Liberación de una carga eléctrica debido a la incidencia de radiación electromagnética sobre una sustancia. En este fenómeno se incluyen la fotoemisión, fotoionización, fotoconducción, efecto fotovoltaico y efecto Auger.

efecto fotovoltaico. Producción de un voltaje en un semiconductor no homogéneo como el silicio (dopado), o en una unión de dos tipos de materiales, por la absorción de irradiancia solar u otra fuente de radiación electromagnética.

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efecto Peltier. Calor absorbido o rechazado en la unión de dos materiales diferentes, los cuales conducen una corriente eléctrica pequeña; esta absorción o rechazo depende de la dirección de la corriente.

efecto Seebeck. Aparición de un voltaje debido a la diferencia de temperatura entre dos uniones de metales diferentes en un mismo circuito.

efecto termoeléctrico. Conversión directa de calor en energía eléctrica o el inverso. Véase termoelectricidad.

efecto Thomson. Efecto termoeléctrico en el cual el calor fluye hacia adentro o hacia fuera de un conductor homogéneo, cuando una corriente eléctrica fluye entre dos puntos del conductor a temperaturas diferentes. La dirección del flujo de corriente circula del metal más frío al más caliente o viceversa.

efecto Zener. Interrupción no destructiva en un semiconductor, la cual ocurre cuando un campo eléctrico, a través de la banda prohibida, es tan alto que se produce en forma súbita un número de portadores en esta región.

eficiencia (η). Razón de energía útil suministrada por un sistema dinámico dividida entre la energía suministrada por el sistema fuente durante un periodo de operación.

eficiencia de conversión fotovoltaica. Véase eficiencia fotovoltaica.

eficiencia fotovoltaica. Razón de la potencia máxima eléctrica respecto al producto del área del dispositivo fotovoltaico y la irradiancia solar, medida en porcentaje.

eficiencia óptica de un concentrador o colector plano. Fracción de la irradiancia solar directa o global que llega al receptor y es absorbida por éste.

eficiencia térmica. Razón de trabajo realizado por una máquina térmica y la energía absorbida por ésta. Se puede definir también como la razón del calor útil entregado por un equipo o sistema térmico respecto a la energía absorbida por éste.

einsteinio. Unidad de energía luminosa usada en fotoquímica; es igual al número de Avogadro multiplicado por un fotón de luz de la frecuencia que se esté considerando.

eje óptico. Línea que pasa por el foco y el vértice de un concentrador. En lentes es la recta que pasa por el centro de curvatura de la lente. En forma más general, es la línea que pasa a través de un sistema óptico simétrico y que bajo la rotación del sistema no altera dicha simetría.//Dirección de propagación de la luz en cristales.

electrodeposición. Proceso electrolítico por medio del cual un metal se deposita en el cátodo a través de una solución con iones. Se usa frecuentemente en energía solar para depositar películas selectivas.

emisión termiónica. Liberación de electrones o iones de una sustancia a causa de un calentamiento alto.

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emisividad. Propiedad de un cuerpo que describe su habilidad para emitir radiación cuando se compara con la emisión de un cuerpo negro a la misma temperatura.

emisividad espectral direccional. Razón de la habilidad emisiva de un cuerpo real respecto a la de un cuerpo negro, la cual depende de la dirección, longitud de onda y temperatura de la superficie. En otras palabras, cuando una superficie se encuentra a una temperatura T, al cociente formado por la intensidad de radiación emitida por la superficie en el intervalo espectral considerado y en una dirección determinada, se divide entre la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro en el mismo intervalo espectral, a una temperatura T.

emisividad espectral hemisférica. Al integrar la emisividad espectral direccional en todas las direcciones de un hemisferio, se obtiene la emisividad espectral hemisférica.

emisividad monocromática direccional. Cociente formado por la intensidad de radiación emitida por la superficie a la temperatura T y longitud de onda λ en una dirección fija, dividida entre la intensidad de radiación emitida por un cuerpo negro bajo las mismas condiciones.

emisividad monocromática hemisférica. Relación de la potencia emisiva monocro-mática a una temperatura dada T, dividida entre la potencia emisiva monocromática de un cuerpo negro a la misma temperatura T.

emisividad total direccional. Promedio de la emisividad espectral direccional sobre todas las longitudes de onda para una dirección determinada.

emisividad total hemisférica. Al integrar la emisividad espectral hemisférica en todas las longitudes de onda consideradas, se obtiene la emisividad total hemisférica.

emitancia (ε). Propiedad de un material isotérmico de un espesor dado que describe su habilidad para emitir energía al compararse con la emisión de un cuerpo negro a la misma temperatura.

enchapado. Véase recubrimiento metálico.

energía geotérmica. Energía térmica existente en las profundidades de la Tierra. Puede ser utilizada directamente para suministrar calor o se puede convertir en energía mecánica y eléctrica.

energía primaria. Energía que existe en forma natural intrínseca, como los combustibles de origen fósil con alto poder calorífico, como el carbón antes de ser convertido en energía útil. Otras formas de energía primaria son la geotermia, las hidroeléctricas, etc.

energía radiante o radiación. Cuando una sustancia se excita arriba de 0 K radia energía conocida como energía radiante. También se conoce como la emisión y propagación de ondas que transmiten energía a través del espacio o un medio.

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energía renovable. Fuentes de energía que son regenerativas o virtualmente inagotables como la energía solar.

energía secundaria derivada. Energía que proviene de transformar combustibles fósiles o nucleares, agua en presas, mezcla de salmuera-vapor o vapor seco de pozos geotérmicos, irradiancia solar, viento, etc, en energías disponibles para su uso directo.

energía solar. Energía emitida por el Sol en forma de radiación electromagnética.

envolvente. Superficie transparente que protege a un cuerpo contra fenómenos de convección.

EPA. Siglas en inglés de la Agencia de Protección del Medio Ambiente, de EUA (Environmental Protection Agency).

EPRI. Siglas en inglés del Instituto de Investigación en Energía Eléctrica, de EUA (Electrical Power Research Institute).

equinoccio. Instante cuando ocurre que cualquiera de los dos puntos de intersección de la eclíptica y el ecuador celeste coinciden, y su declinación es 0°. Además, el día y la noche tienen igual duración.

erosión iónica. Erosión o expulsión de átomos o grupos de los mismos, por medio de un plasma, a partir de una superficie que funciona como cátodo para depositarse en un sustrato (ánodo) en forma de película. Se utiliza para la fabricación de espejos solares, filtros solares o películas selectivas.

esfera celeste. Esfera imaginaria de un radio lo suficientemente grande con un centro predeterminado. Se utiliza para localizar cuerpos celestes, los cuales son proyectados sobre ella. Generalmente es concéntrica con el globo terráqueo.

espectro. Intervalo de frecuencias dentro del cual la radiación tiene una característica especial; por ejemplo, espectro ultra violeta, espectro visible, espectro infrarrojo, etc.

espectro electromagnético. Intervalo total de longitudes de onda o frecuencias de radiación electromagnética, las cuales abarcan desde los rayos cósmicos hasta las ondas de radio.

espectro solar. Espectro electromagnético que proviene del Sol y va desde longitudes de onda de 10-9 cm hasta 30 km.

espectro solar infrarrojo. Intervalo de longitudes de onda en la zona infrarroja de la irradiancia solar. En la superficie terrestre va de 770 a 2 500 nm, y se conoce como infrarrojo cercano (NIR). Asimismo, hay un intervalo mínimo de 2 500 a 10 000 nm conocido como infrarrojo lejano, aunque para fines prácticos se considera entre 3 000 y 4 000 nm. En general, las longitudes mayores de 4 000 nm son emitidas por la Tierra y la atmósfera y se conocen como radiación terrestre.

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espectro solar ultravioleta (UV). Intervalo de longitudes de onda en la zona ultravioleta de la irradiancia solar. En la superficie terrestre va de 300 a 400 nm, y es conocido como UV cercano.

espectro solar visible (V). Intervalo de longitudes de onda de la irradiancia solar visible. Al nivel del mar se considera que va de 380 nm a 770 nm.

espectro visible. Intervalo de longitudes de onda de la irradiancia solar visible.

espectrofotómetro solar. Instrumento que mide la trasmitancia o reflejancia de materiales usados en energía solar. Usualmente se mide la parte UV-V-NIR que llega a la superficie terrestre.

espesor óptico. Véase camino óptico.

estanque solar. Estanque con agua salada que funciona como captador solar y almacén térmico. La parte inferior, a una profundidad de 1.5 a 3 m es una salmuera saturada, la cual absorbe la irradiancia solar que llega. Ésta se calienta y, para evitar la convección, se establece un gradiente salino, haciendo que en la superficie del estanque se tenga agua pura o con muy baja salinidad. Este gradiente provoca otro de temperatura, de manera que esta zona se conoce como no convectiva y funciona como aislante térmico.

este (E). Punto cardinal por donde sale el Sol en los días de equinoccio. Su dirección está a 90º a la derecha del norte.

esterradián (sr). Unidad utilizada para medir ángulos sólidos. Es igual al ángulo sólido subtendido en el centro de una esfera, de manera que intercepta un área de la superficie de dicha esfera. Dicha área es igual a un cuadrado cuyos lados son iguales en longitud al radio de la esfera.

estratificación. Arreglo de un cuerpo de agua u otro líquido, donde dos o más capas horizontales tienen características diferentes, especialmente en sus densidades. En general se establecen gradientes salinos, térmicos o de densidad.

evaporación. Conversión de un estado líquido en vapor por la adición de energía. En otras palabras, es el paso lento de una sustancia de la fase líquida a la fase de vapor. Este fenómeno se produce solamente si la tensión de vapor del ambiente es inferior a la de saturación y ocurre cuando se produce vapor en una interfase líquido-vapor. Existen diferentes mecanismos para lograr este fenómeno. Por ejemplo, cuando el calor de evaporación se transporta hacia la superficie del fluido, lo cual ocurre cuando la radiación incide sobre la superficie del líquido y es absorbida por éste u otro mecanismo.//Otra forma de lograrlo es cuando una corriente de aire fluye sobre la superficie de un líquido por convección libre y/o forzada; adyacente a la superficie, la temperatura es menor que el promedio en dicha corriente; sin embargo, ésta está saturada y, por tanto, la humedad promedio de ésta es menor que la adyacente ya mencionada. De esta manera existe un proceso que permite estabilizar temperatura,

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velocidad y humedad, de tal forma que un proceso de transferencia de calor se lleva a cabo entre ambas superficies (aire-agua) y, por consiguiente, se transfiere calor de la superficie del agua al aire. Esto es un proceso combinado convección-conducción, en el cual se considera finalmente que la transferencia de vapor ocurre por los procesos combinados de convección y difusión.

externalidades. Costos externos relacionados con la conversión de energía y su uso, cuando se incorporan daños causados a la salud y al medio ambiente, por ser utilizados en la producción de energía.

F factor de capacidad. Cuando el factor de carga se aplica a un solo generador, entonces éste se llama factor de capacidad.

factor de carga. Cantidad real de electricidad producida, comparada con la cantidad máxima posible considerando el mismo periodo, expresado en porcentaje.

factor de carga fotovoltaico. Relación de la potencia máxima suministrada por una celda fotovoltaica al producto del voltaje en circuito abierto por la corriente en el circuito cerrado. La mayoría de las celdas modernas tienen factores mayores de 0.72.

factor de forma. Véase factor de intercepción.

factor de funcionamiento. Razón de la capacidad útil a la salida de un sistema dividida entre la requerida a la entrada.

factor de intercepción. Fracción de irradiancia solar incidente sobre el concentrador que llega al absorbedor después de ser reflejada. Algunas veces también mencionada como factor de forma.

factor de luminosidad. Razón de flujo luminoso, en lumens, emitido por una fuente, a una longitud de onda particular, dividido entre flujo radiante correspondiente en watts a la misma longitud de onda. Este factor mide la sensibilidad visual del ojo.

factor de turbidez de Linke. Relación que permite evaluar la atenuación por vapor de agua y aerosoles de la irradiancia solar al pasar por la atmósfera.

fermión. Partícula como el electrón, protón o neutrón, los cuales obedecen la regla de la función de onda de que algunas partículas idénticas cambian de signo cuando las coordenadas de un par cualquiera son intercambiadas, es decir, obedecen el principio de exclusión de Pauli y la estadística de Fermi–Dirac. Su spin tiene un valor semientero.

filtro solar. Dispositivo construido de vidrio o plástico transparente en el cual se depositan películas para reducir la transmitancia de la luz visible o la radiación infrarroja. Pueden ser pasivos o activos.

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filtro solar activo. Véase ventana inteligente.

filtro solar barocrómico. Filtro que cambia sus propiedades ópticas cuando se aplica una presión. Éste recupera sus propiedades iniciales cuando se elimina dicha presión.

filtro solar con base en cristales líquidos. Filtro que cambia sus propiedades ópticas cuando la orientación de las moléculas del cristal líquido varían. Generalmente esta orientación se modifica debido a un campo eléctrico aplicado.

filtro solar electrocrómico. Filtro cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo eléctrico, y recuperan su estado inicial cuando se elimina dicho campo.

filtro solar fotocrómico. Material cuyas propiedades ópticas (transmitancia) se modifican cuando es expuesto a la luz, y regresa a su estado inicial cuando se expone nuevamente a la oscuridad.

filtro solar fotogray. Filtro solar fotocrómico comercial, usado principalmente en lentes visuales, que se oscurecen cuando reciben irradiancia solar. Sus propiedades ópticas regresan a su estado inicial cuando se elimina dicha irradiancia.

filtro solar pasivo. Filtro con el que se desea obtener valores de trasmitancia en el espec-tro visible del orden de 50 % o mayores, y en el infrarrojo cercano menores del 50 %.

filtro solar termocrómico. Filtro cuyas propiedades ópticas cambian cuando se calienta, y recupera sus propiedades iniciales cuando se enfría.

fluido de trabajo. Fluido que puede ser calentado, enfriado, presurizado y expandido para realizar trabajo; por ejemplo, mover una turbina en un ciclo termodinámico.

fluido de transferencia de calor. Fluido utilizado para absorber calor en una región,; por ejemplo en el absorbedor, y transportarlo a una zona diferente, que puede ser un almacén térmico.

flujo de calor. Cantidad de calor transferido en unidad de tiempo.

flujo laminar. Flujo en una corriente con perfil lineal de un fluido incompresible, viscoso y newtoniano, dentro del cual todas las partículas se mueven en forma alineada.

flujo luminoso. Es la energía lumínica que pasa a través de un ángulo sólido unitario en unidad de tiempo.

flujo radiante. Rapidez con respecto al tiempo de energía radiante. Energía radiante que atraviesa un área en una unidad de tiempo.

flujo solar. Flujo de energía proveniente del Sol.

flujo turbulento. Movimiento de fluidos donde las velocidades y presiones locales fluctúan en forma irregular, es decir en forma azarosa.

foco. Punto o región pequeña en la que convergen rayos que son reflejados por un concentrador solar.

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fórmula de turbidez de Angström. Relación para evaluar los efectos de dispersión y absorción de la irradiancia en la atmósfera terrestre causada por aerosoles.

fotocatálisis. Activación de una reacción química por medio de un catalizador semiconductor usando la irradiancia solar, principalmente la irradiancia UV.

fotocátodo. Superficie fotosensitiva que emite electrones cuando se expone a la luz.

fotocelda. Dispositivo de estado sólido que es fotosensitivo, emite electrones, y cuya característica voltaje-corriente es función de la irradiancia incidente.

fotoconducción. Aumento en la conducción de electricidad, resultante de la absorción de radiación electromagnética.

fotoconductividad. Aumento en la conductividad eléctrica mostrado por sólidos no metálicos cuando absorben radiación electromagnética.

fotoconductor. Sólido no metálico cuya conductividad aumenta cuando se expone a radiación electromagnética.

fotocromismo. Habilidad de películas depositadas en sustratos de vidrio para oscurecerse reversiblemente bajo luz intensa.

fotodegradación. Descomposición de una sustancia por energía radiante.

fotodetector. Detector que responde a energía radiante.

fotodiodo. Un diodo semiconductor en el cual la corriente inversa varía con la iluminación.

fotodisociación. Eliminación de uno o varios átomos de una molécula por la absorción de un quántum electromagnético.

fotoelectricidad. Liberación de carga eléctrica por radiación electromagnética que incide en una sustancia; se incluye fotoemisión y fotoionización, fotoconducción, efecto fotovoltaico y efecto Auger.

fotoeléctrico. Fenómeno que pertenece a los efectos eléctricos de la luz, como la emisión de electrones, generación de voltaje o cambio en la resistencia cuando un material fotosensitivo se expone a la luz.

fotoelectrólisis. Proceso que utiliza radiación electromagnética para ayudar o efectuar procesos electrolíticos que ordinariamente requieren del uso de energía eléctrica.

fotoelectrón. Electrón emitido por efecto fotoeléctrico.

fotoemisión. Expulsión de electrones de un sólido por radiación electromagnética.

fotoemisor. Material que emite electrones cuando es suficientemente iluminado.

fotoemitancia. Propiedad de una sustancia para emitir electrones cuando se expone a la luz.

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fotoionización. Eliminación de uno o varios electrones de un átomo o molécula por la absorción de un fotón visible o de luz ultravioleta.

fotoisómero. Isómero producido por fotólisis.

fotólisis. Uso de energía radiante para producir cambios químicos.

fotología. Estudio científico de la luz.

fotoluminiscencia. Luminosidad simulada por radiación visible, infrarroja o ultravioleta.

fotometría. Cálculos y mediciones relacionados con cantidades describiendo la luz, como intensidad luminosa, flujo luminoso, densidad de flujo luminoso, distribución de la luz, calor, factor de absorción, distribución espectral, reflejancia y transmitancia de luz.

fotómetro. Instrumento para realizar mediciones de luz o radiación electromagnética.

fotón. Partículas en reposo sin masa, conocidas como el quántum del campo electro-magnético, el cual contiene energía, moméntum y momento angular.

fotoquímica. Estudio de los efectos de la luz sobre reacciones químicas.

fotorreducción. Reducción química que se produce por radiación electromagnética.

fotosíntesis. Síntesis de compuestos químicos por acción de la luz, especialmente la manufactura de compuestos orgánicos.

fototransistor. Transistor que puede tener una de las terminales, ya sea la del colector o la del emisor, sobre una base con cualquiera de ellas o ambas terminales, y donde dicha base está expuesta a la luz por medio de lentes minúsculas.

fotovoltaico. Capaz de generar voltaje como resultado de una exposición a radiación visible u otra fuente de radiación.

fracción solar. Análisis de sistemas térmicos que dan el resultado del funcionamiento del sistema por periodos largos, los cuales se usan en análisis económicos.

freón. Gas altamente estable o inerte que no reacciona fácilmente con otros elementos químicos. Se utiliza en sistemas de refrigeración y bombas de calor; debido a su cambio de fase de líquido a gas a temperaturas relativamente bajas, es apropiado para usos relacionados con energía solar.

función de distribución de Fermi-Dirac. Función que especifica la probabilidad de que un miembro de un conjunto de fermiones independientes, como electrones en un semiconductor o metal, ocupen un cierto estado de energía cuando se alcanza el equilibrio térmico.

función de luminosidad, curva de luminosidad, eficiencia espectral luminosa o función de visibilidad. Medida estándar a la respuesta del ojo a luz monocromática en un intervalo del espectro solar (390 nm a 760 nm); esta función está normalizada a la unidad en su valor máximo (550 nm).

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fuste. Elemento primordial de una columna, que está entre el capitel y la basa.

G ganancia solar. Energía obtenida del Sol. Este término se utiliza generalmente en el uso de energía solar en edificios con sistemas pasivos.

ganancia solar directa. Energía solar que penetra a través de ventanas de edificios, la cual puede ser parte de la carga de calentamiento del edificio.

ganancia térmica. Aumento de calor dentro de un espacio dado como resultado directo de calentamiento por la irradiancia solar y de otras fuentes radiantes de calor, como lámparas, equipo eléctrico o personas.

gasificación. Cualquier proceso químico o calorífico usado para convertir una sustancia sólida o líquida en gas.

gasificación termosolar. Gasificación de materiales sólidos y líquidos principalmente por medio de concentradores solares. Existen materiales orgánicos como los freones que pueden ser gasificados con colectores planos.

gasocrómico. Modulación óptica debida a la inyección de hidrógeno en una película que forma un filtro solar.

GDV. Generación directa de vapor. Fenómeno donde se produce vapor directamente en los tubos absorbedores, los cuales están colocados en el foco de concentradores cilíndrico parabólicos.

GEF. Siglas en inglés de la Oficina para el Mejoramiento del Medio Ambiente, asociada con las Naciones Unidas y el Banco Mundial (Global Environment Facility).

gel. Sistema coloidal en dos fases; consiste en un sólido y un líquido, de manera que parece más un sólido que una solución coloidal.

generador solar. Generador eléctrico impulsado por irradiancia solar; generalmente es usado en satélites.

generador termiónico. Véase convertidor termiónico.

geoposicionador. Dispositivo digital que recibe las señales de satélites para encontrar la posición exacta de un punto determinado en la superficie terrestre (latitud, longitud y altitud). Se utiliza frecuentemente para determinar orientaciones de dispositivos solares. En inglés se conoce como GPS (Global Position System), y también se le conoce como sistema de posicionamiento global.

geotermia. Perteneciente al calor que existe en el interior de la Tierra.

geotextiles. Impermeabilizantes sintéticos utilizados en estanques solares.

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gétter. Material usado en altos vacíos para mantener estas presiones en recipientes cerrados como los tubos absorbedores en concentradores cilíndrico parabólicos.

global. Utilizado generalmente para la irradiancia e irradiación solar recibida en la Tierra; es la suma de los componentes directo y difuso.

GMS. Siglas de un satélite geoestacionario para la medición de nubosidad y otros parámetros meteorológicos (Japón).

gnomo. Manecilla en un reloj solar. Objeto que según su posición y la longitud de su sombra, indica la hora del día.

GOES. Siglas en inglés de satélites artificiales geoestacionarios para la medición de nubosidad y otros parámetros meteorológicos, de EUA (geostationary operational environmental satellities).

GOMS. Siglas de un satélite geoestacionario para la medición de nubosidad y otros parámetros meteorológicos, de Rusia.

gradiente salino. Concentración de sal disuelta en agua que aumenta con la profun-didad en un estanque solar.

gradiente térmico. Rapidez del cambio de temperatura con la distancia; por ejemplo, el aumento de temperatura por debajo de la superficie superior de un estanque solar.

grado día de calefacción. Forma de grado-día usada como indicación del consumo de combustible. Cuando se usan grados Fahrenheit, la temperatura promedio diaria empieza en 65ºF, mientras que para centígrados empieza en 19ºC.

grado día de refrigeración. Unidad para estimar la energía necesitada para el enfria-miento de un edificio. Esta unidad es dada para cada grado Fahrenheit cuando la tempe-ratura media diaria excede 75ºF (24ºC).

H heliocéntrico. Relativo al Sol como centro.

heliodón. Instrumento capaz de simular la trayectoria del Sol a lo largo del año, a distintas horas y con diferentes latitudes. Se utiliza principalmente para el estudio del soleamiento de casas o edificios mediante maquetas o modelos. Es muy práctico para ensayar distintas orientaciones y disposiciones en proyectos de arquitectura bioclimática, simulando las variaciones horarias de la luz solar.

heliofanía efectiva. Periodo durante el cual el lugar en observación ha recibido irradiancia solar directa.

heliofanía relativa. Cociente de la heliofanía efectiva a la heliofanía teórica astronómica.

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heliofanía relativa real. Cociente entre heliofanía efectiva y heliofanía teórica local.

heliofanía teórica astronómica. Periodo máximo durante el cual se podría recibir irradiancia solar directa; ésta es independiente de las obstrucciones que puedan causar fenómenos meteorológicos o la topografía del lugar.

heliofanía teórica local. Diferencia entre la heliofanía teórica astronómica y el periodo durante el cual relieves topográficos obstruyen la irradiancia solar directa.

heliógrafo. Instrumento que registra la duración de las horas de insolación y permite conocer en forma cualitativa la acción de los rayos solares sobre una tira de papel. También se conoce como el instrumento para enviar mensajes telegráficos por medio de la reflejancia de rayos solares usando espejos.

helióstato. Dispositivo que consiste en un conjunto de espejos, estructuras de soporte, mecanismos de seguimiento solar y cimentación para su montaje, los cuales se mueven continuamente para seguir el movimiento aparente del Sol. Esto permite que la irradiancia solar directa se refleje en un receptor, comúnmente colocado sobre una torre.

heliotropo. Planta cuyas flores giran hacia el Sol a lo largo del día. En concentradores solares, es el dispositivo que permite localizar la posición del Sol.

heterounión. Unión de dos materiales semiconductores diferentes, usualmente con una discontinuidad despreciable en su estructura cristalina.

hidroelectricidad. Conversión de la energía cinética del agua en movimiento, generalmente almacenada en una presa, para convertirla en energía mecánica y posteriormente en electricidad.

hidrólisis. Descomposición o alteración de sustancias químicas por agua. En soluciones acuosas de electrolitos, las reacciones de cationes con agua son efectuadas para producir una base débil o un ácido débil.

higrómetro. Instrumento que mide la humedad del aire u otro gas, habitualmente la humedad relativa, en porcentaje.

higroscópico. Material que posee la habilidad de absorber el vapor de agua; por lo general se trata de sales que pueden cambiar de color al irse saturando con agua.

higróstato o humidistato. Instrumento para medir y controlar la humedad relativa.

hora pico. Tiempo de mayor demanda de la energía eléctrica.

horizonte. Círculo máximo resultante de la intersección de la esfera celeste con un plano perpendicular a la vertical, el cual pasa por el centro de la Tierra

hoyo. Véase hueco.

hueco. Estado de energía de un electrón vacante en un átomo y que está cerca del máximo de la banda de energía en un sólido. Se comporta como si fuera una partícula cargada positivamente.

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humedad. Contenido de vapor de agua en la atmósfera, expresado en cualquiera de sus diferentes medidas; por ejemplo, humedad relativa.

humedad absoluta. Relación de la masa de vapor de agua en una muestra de aire dividida entre la masa de la muestra.

hmedad específica. En un sistema húmedo, es la relación de la masa del agua en forma de vapor y la masa total del sistema.

humedad relativa. Relación adimensional de la presión de vapor real del aire y la presión de vapor de saturación.

humidificación. Proceso para aumentar la cantidad de vapor de agua en un gas.

humidificador. Aparato para suministrar humedad al aire, con el propósito de mantener condiciones de humedad preseleccionadas.

huso horario. Zona sobre la superficie terrestre en forma de huso esférico, donde se le atribuye la hora de su meridiano medio a cada uno de sus puntos.

I IEA. Siglas en inglés de la Agencia Internacional de Energía (International Energy Agency).

IG-UNAM. Instituto de Geofísica, de la UNAM, en México. Realiza mediciones de irradiancia solar en varias partes del país.

IIE. Instituto de Investigaciones Eléctricas, en México. Tiene un grupo que trabaja en aspectos de la energía solar.

IIUNAM. Instituto de Ingeniería, de la UNAM, en México. Realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

iluminación o iluminancia. Corresponde a la irradiancia en la terminología radiomé-trica y connota energía incidente, usualmente energía en una superficie. Se mide en lux (lumen/m2 ), fot (1 lumen/cm2) o candela-pic (1 lumen/pie2); se conoce también como densidad de flujo luminoso sobre una superficie. También se considera como la magnitud referente al efecto producido por la energía lumínica.

imbibición. Proceso que fija las moléculas fotocrómicas a la superficie de un lente, vidrio o cualquier otro tipo de sustrato transparente.

impureza. Sustancia que al ser difundida en un semiconductor en cantidades muy pequeñas, suministra electrones libres o huecos, dependiendo del tipo de la sustancia difundida.

índice de confort. Índice de temperatura-humedad.

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índice de refracción (n). Razón de la velocidad de propagación de ondas luminosas en vacío y su velocidad de propagación en la sustancia que se desea evaluar.

inercia térmica. Resistencia que una masa presenta al cambiar su temperatura como función de su masa y calor específico.

infiltración de aire. Entrada de aire a través de hendiduras hacia las habitaciones, principalmente por puertas y ventanas.

INSATs. Siglas de satélites geoestacionarios para la medición de nubosidad y otros parámetros meteorológicos, en la India.

insolación. Irradiancia solar disponible en la superficie terrestre. El valor máximo de la densidad de flujo al nivel del mar con cielo claro es alrededor de 1 kW/m2. //También se utiliza este término para la enfermedad ocasionada por recibir los rayos del Sol durante periodos prolongados.//Otra definición es: irradiancia solar cuando ésta se haya por encima del horizonte bajo condiciones meteorológicas óptimas. La duración de la insolación se mide con un heliógrafo.

intensidad luminosa (candela). Flujo luminoso incidente sobre una superficie que está colocada en una dirección predeterminada y dividida entre el ángulo sólido corres-pondiente.

intensidad monocromática de radiación. Energía radiante emitida por un elemento de área que pasa a través de otro elemento diferente de área a una longitud de onda dada y con una dirección bien definida.

intensidad radiante (W/sr). Energía emitida por unidad de tiempo, por unidad de ángulo sólido en una dirección predeterminada.

intensidad solar (W/sr). Flujo radiante por esterradián incidente sobre una superficie o reflejado por ésta. En este caso, también se suele denominar reflejancia especular.

intercambiador de calor. Dispositivo que transfiere calor de un fluido a otro.

inversión térmica. Fenómeno donde una capa atmosférica tiene mayor temperatura que una capa inferior. La característica principal de esta capa inferior es su marcada estabilidad térmica, de manera que produce poca turbulencia.

inversor. Dispositivo para convertir corriente directa en corriente alterna.

IPN. Siglas del Instituto Politécnico Nacional, en México. Realiza proyectos de investi-gación en energía solar, entre otros.

irradiación (J/m2). Energía radiante incidente por unidad de área. Es el producto de la irradiancia por su duración en un intervalo de tiempo prefijado.

irradiación difusa. Energía solar difusa (irradiancia difusa) incidente sobre una superficie e integrada en un periodo predeterminado.

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irradiación directa. Irradiancia directa incidente sobre una superficie e integrada en un periodo determinado; por ejemplo, horario, diario, mensual o anual.

irradiación extraterrestre. Irradiancia extraterrestre solar integrada a lo largo de un tiempo predeterminado.

irradiación global. Irradiancia global incidente sobre un área e integrada a lo largo de un periodo. La irradiación global mensual se refiere a la irradiación global promedio diaria sobre una superficie horizontal y promediada en el mes deseado.

irradiación total. Irradiancia total integrada a lo largo de un periodo dado, sobre una superficie horizontal.

irradiancia (W/m2). Densidad de flujo radiante, o sea flujo radiante por unidad de área incidente sobre una superficie. En alguna bibliografía antigua de energía solar se conoce como radiación.

irradiancia de la atmósfera. Irradiancia de onda larga proveniente de la atmósfera debido a la emisión de ésta por sus componentes (vapor de agua, ozono, dióxido de carbono, etc). El espectro de la atmósfera es muy irregular a causa del calentamiento y enfriamiento diario de ésta.

irradiancia del cielo. Véase irradiancia de la atmósfera.

irradiancia extraterrestre. Es la irradiancia solar recibida en una superficie horizontal en ausencia de atmósfera.

irradiancia solar difusa. Irradiancia solar dispersada por la atmósfera que llega a la superficie terrestre.

irradiancia solar directa. Irradiancia que no se dispersa por la atmósfera terrestre. Más precisamente es la densidad de flujo radiante proveniente del disco solar, tomado desde una pequeña región circunsolar en el cielo, que está dentro de un ángulo subtendido de 5 grados.

irradiancia solar global. Irradiancia directa más difusa sobre una superficie horizontal que se localiza en la superficie terrestre.

irradiancia solar total. Aunque este término se ha confundido con irradiancia global, su significado es diferente. Significa la irradiancia solar global más las irradiancias de origen terrestre y atmosférico que inciden en una superficie horizontal.

ISCCS. Siglas en inglés de Sistema Integrado de Ciclo Combinado (Integrated Solar Combined Cycle System), en general con gas natural y plantas termosolares de canal parabólico.

ISES. Siglas en inglés de Sociedad Internacional de Energía Solar (International Solar Energy Society).

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isentrópico. Anglicismo usado por algunos autores en lugar de isoentrópico. Véase isoentrópico.

isobárico. Línea o superficie que une los puntos que tiene la misma presión en un sólido, líquido o gas.

isocrómico. Perteneciente a una variación de ciertas cantidades relacionadas con la luz (como una densidad del medio a través del cual pasa la luz, o sea índice de refracción), en que el color o la longitud de onda se mantienen constantes.

isoentrópico. Línea que conecta puntos con la misma entropía.

isohelia. Isolínea con el mismo valor de irradiación solar.

isohipsas. Líneas con la misma presión medidas a una altura predeterminada.

isolínea. Línea que une puntos con las mismas propiedades; por ejemplo con la misma irradiación solar, humedad, presión, etc.

isolux. Línea o superficie que conecta puntos con la misma intensidad luminosa.

isomorfo. Igualdad en formas cristalinas de una sustancia conocida como cristal.

isotacas. Líneas con la misma velocidad de viento, pero sin determinar su dirección.

isoterma. Línea o superficie que une los puntos que tienen la misma temperatura en un sólido, líquido o gas.

J jet. Flujo bien definido de gas o líquido proveniente de un orificio, una boquilla o que se mueve en un ducto reducido.

L lago solar. Algunas veces a los estanques solares se les menciona con este término.

lambert. Unidad de brillantez (luminancia) equivalente a 1/π candelas por cm2.

lámpara solar estándar. Lámpara con incidencia normal de 500 W/m2, usada en laboratorios para calibrar piranómetros.

langley (ly). Unidad utilizada hace varios años para medir la irradiación solar. Equivale a 1 cal/cm2.

láser. Dispositivo que produce un haz de luz casi paralelo, monocromático y coherente por medio de la excitación de átomos. Los niveles de energía de éstos pasan a uno

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mayor, causando una energía radiante en fase. Se utiliza como dispositivo para comprobar alineación y concentración de concentradores solares y helióstatos.

latitud (φ). Distancia angular al norte o sur del Ecuador medida en grados. El Ecuador es cero grados y los polos están a ±90 grados. Norte: 90 grados.

lente. Pieza curva de vidrio pulido usado para refracción de la luz; sus dos caras superficiales tienen el mismo eje.

lente de Fresnel. Lente delgada construida por una serie de zonas concéntricas o paralelas con estructuras talladas o moldeadas sobre una superficie plana de vidrio o plástico. Dichas zonas aparecen como estrías a simple vista, y tienen la propiedad de enfocar en una zona pequeña los rayos solares que inciden sobre ésta.

longitud. Distancia angular a lo largo del Ecuador, entre el meridiano que pasa por la posición deseada y el meridiano de Greenwich.

longitud de difusión. Camino promedio recorrido por una partícula que se difunde en un semiconductor.

longitud de onda. Distancia entre dos puntos, que tienen la misma fase en dos ciclos consecutivos de una onda periódica, a lo largo de la dirección de su propagación.

longitud de rayos ópticos. Longitud que atraviesa en un estaque solar la irradiancia solar incidente.

lumen. Flujo luminoso emitido en todas direcciones por un cuerpo negro con área superficial de 1/60π cm2 y temperatura de 2 042 K. // También se conoce como el flujo a través de un ángulo sólido de una fuente puntual de una candela.// Otra definición es: flujo sobre todos los puntos de una unidad de superficie que se encuentra a una distancia de una fuente puntual que emite con una intensidad de una candela.

luminancia. Razón de la intensidad luminosa en una dirección dada por un elemento infinitesimal de una superficie que contiene al punto bajo consideración, dividido entre el área ortogonalmente proyectada del elemento en un plano perpendicular a la direc-ción dada.

luminosidad. Calidad de estar iluminado.

lux. Unidad para medir la iluminación (1 lux = 1 lumen/m2).

luxómetro. Dispositivo que mide la iluminación en luxes.

luz. Radiación electromagnética con longitudes de onda capaces de originar la sensación de visión. Su intervalo va de 400 nm (violeta) a 770 nm (rojo).

LUZ. LUZ International Ltd, compañía que construyó inicialmente las plantas termosolares de canal parabólico en el desierto de Mojave, en California, EUA. Está integrada por nueve plantas en total, con una potencia instalada de 354 MWe.

389

M macroclima. Clima de una zona geográfica grande.

magnetismo terrestre. Magnetismo ocasionado por el campo magnético de la Tierra.

manómetro. Instrumento utilizado para medir la presión de un líquido o de un gas.

mapa de irradiación solar. Mapa donde se evalúa el recurso solar para sus aplicaciones. Generalmente son diarias en promedios mensuales y anuales. En general, se consideran la evaluación global, difusa y normal directa. La global y la difusa se evalúan para superficies horizontales o inclinadas, mientras que la directa se evalúa como la normal directa al monitor.

mapa de irradiación solar. Mapa donde se evalúa el recurso solar para sus aplicaciones. Generalmente sus evaluaciones son diarias en promedios mensuales y anuales. En general, se consideran la evaluación global, difusa y normal directa. La global y la difusa se evalúan para superficies horizontales o inclinadas, mientras que la directa se evalúa como la normal al monitor

máquina térmica. Dispositivo mecánico que convierte calor en trabajo.

masa de aire (MA). Irradiancia solar que al pasar a través de la atmósfera sufre atenuación, dicha atenuación se debe a la masa de aire. El camino más corto al penetrar en dicha atmósfera es cuando el Sol está en el cenit. A nivel del mar, MA = 1; para la posición del Sol con ángulo cenital de 60°, MA = 2; y MA = 0 significa irradiancia solar extraterrestre.

mecanismo de seguimiento solar con foco lineal. Tipo de mecanismo en un eje, que puede ser para movimiento este-oeste, norte-sur o norte-sur polar en los concentradores cilíndricos parabólicos, que son los más comunes. El mecanismo debe seguir el movi-miento aparente del Sol, puede ser a través de un dispositivo (heliotropo), sensible a la variación de la irradiancia solar directa, electrónica asociada (control) y un motorreductor.

mecanismo de seguimiento solar con foco puntual. En un concentrador con foco puntual, es el mecanismo que permite que la irradiancia solar directa, siempre llegue normal a la apertura del concentrador, generalmente un paraboloide de revolución. Consta de un heliotropo sensible a la variación de la irradiancia solar directa, sistema de control y mecanismo que realiza el movimiento del concentrador en dos ejes.

medio día. Instante en que el Sol atraviesa el meridiano del observador.

medio transparente. Medio que tiene la propiedad de transmitir rayos luminosos, de tal manera que el ojo humano puede ver a través de él.

meridiano geomagnético. Semicírculo que conecta los polos magnéticos.

390

meridiano terrestre. Línea sobre la superficie terrestre que conecta los puntos de los polos norte y sur.

metalizar. Cubrir una superficie metálica o no metálica con otro metal, por medio de evaporación al vacío o atomización.

meteorología. Ciencia que estudia los fenómenos atmosféricos.

METEOSATs. Siglas de satélites geoestacionarios para medir la nubosidad y otros parámetros meteorológicos, en Europa.

microclima. Clima de una zona geográfica pequeña. Está formado por la topografía del lugar, medio ambiente, suelo y vegetación.

microconvección. Fenómenos de convección a escala pequeña que pueden aparecer en la zona de gradientes de un estanque solar.

microonda. Onda electromagnética que tiene una longitud de onda entre 0.3 y 30 cm.

microorganismos. Organismos microscópicos, bacterias, protozoarios, levaduras, virus y algas, que aparecen con el tiempo en estanques solares y hay que eliminarlos, principalmente las algas, ya que reducen la transmitancia de la salmuera

módulo fotovoltaico. Grupo de celdas fotovoltaicas encapsuladas y arregladas en serie y paralelo dentro de un recipiente plano y cubiertos con una placa de vidrio. Véase pánel fotovoltaico.

monocristalino. Compuesto con un solo tipo de cristal y con una simetría.

monocromático. Radiación electromagnética con un intervalo pequeño de longitudes de onda.

montura acimutal (horizontal). Montura que permite a un concentrador girar en dos ejes; uno que trabaja verticalmente (altitud) y otro que lo hace sobre el plano horizontal (acimut).

montura ecuatorial (alineación polar). Montura que permite a un concentrador girar en dos ejes, uno colocado en paralelo al eje de la Tierra (eje polar), y el otro perpendicular a éste (eje de declinación).

movimiento aparente del Sol. Movimiento del Sol a través de la esfera celeste, la cual tiene como centro a la Tierra. Este movimiento es diario de este a oeste, de manera que el camino del Sol es parte de un círculo en esta esfera.

movimiento acimutal. Movimiento en una montura acimutal.

movimiento polar. Movimiento en una montura ecuatorial.

MSSTF. Siglas en inglés de la planta solar de torre central localizada (Medium-Scale Solar Test Facility), en los Laboratorios Sandia de Albuquerque, para pruebas de materiales.

391

muro de agua. Muro con un almacén térmico con base en agua. La irradiancia solar pasa a través de un vidrio transparente orientado al sur, y llega al agua almacenada detrás de éste. El muro puede ser de concreto con bolsas llenas de agua incrustadas dentro de él, las cuales son calentadas, y almacenan calor en ellas. El efecto de invernadero evita la pérdida de calor hacia el exterior, por lo que éste se disipa hacia el interior de la habitación.

muro de tanques con agua. Almacén térmico con un muro compuesto de tanques llenos de agua y pintados de negro. Este muro se orienta al sur y está protegido por una cubierta de vidrio. La irradiancia solar llega a los tanques, los calienta y protege el calor almacenado por el efecto de invernadero. Los tanques radian calor hacia el interior de la habitación.

muro de Trombe. Muro con almacén térmico, conocido así por su inventor, Felix Trombe. El muro está hecho comúnmente de mampostería y cubierto en el exterior con una placa de vidrio para lograr el efecto de invernadero. El muro se calienta radiando calor al interior de la habitación. Además, si hay ductos superiores sobre dicho muro, también puede fluir aire caliente por ellos, hacia el interior de la habitación.

mylar. Película de poliéster usada en energía solar.

N nadir. Punto de la esfera celeste que se encuentra por debajo del observador o sea a 180º del cenit.

NBS, actualmente NIST. Siglas en inglés de la Oficina Nacional de Normas, de EUA (National Bureau of Standards). Véase NIST.

negro de humo. Colorante negro con base en carbono elemental. El más fino se prepara con gases formados por hidrocarburos. Éste se encuentra en la composición de varios colorantes negros.

niquelado. Recubrimiento de níquel fabricado por métodos electrolíticos. Se usa generalmente en tratamientos de películas selectivas.

NIR. Siglas en inglés de infrarrojo cercano al espectro visible (near infrared).

NIST, antes NBS. Siglas en inglés del Instituto Nacional de Normas y Tecnología, de EUA (National Institute of Standards and Technology).

nit. Unidad de luminiscencia, igual a una candela por metro cuadrado.

nivel de energía. Estado energético que caracteriza el comportamiento de un átomo o molécula cuando existe un intercambio de energía con el exterior.

392

nivel de Fermi. Energía en la cual la ocupación de estados de energía con electrones puede existir, cuando estos estados alcanzan un equilibrio térmico.

NOAA. Siglas en inglés de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, de EUA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

NOAA-4. Siglas del satélite que proporciona información de imágenes relacionadas con nubosidad. Éstas se usan para evaluar irradiancia solar.

nomograma bioclimático. Línea obtenida de una gráfica de temperatura del aire versus una función de humedad; en general humedad relativa, y que muestra las condiciones bajo las cuales una persona está cómoda con su medio ambiente.

norte geográfico. Punto cardinal determinado por la intersección del horizonte con el plano meridiano, orientado hacia la estrella polar.

norte magnético. Punto sobre la superficie terrestre en la posición horizontal, de manera que la dirección de las líneas magnéticas terrestres están hacia el polo magnético norte. Éste no coincide con el norte geográfico; el polo norte está situado a unos 70º de latitud norte y 100º de longitud oeste.

NREL. Siglas en inglés de Laboratorios Nacionales de Energías Renovables, de EUA (National Renewable Energy Laboratory), los cuales realizan investigaciones en energía solar, entre otras.

NSF. Siglas en inglés de la Fundación Nacional para la Ciencia, de EUA (National Science Foundation), la cual patrocina proyectos de investigación.

nubosidad. Porción del cielo cubierto con nubes, medido en décimos de cielo cubierto.

O oblea de silicio. Obleas obtenidas de una barra de silicio cristalino con espesores de 0.03 a 0.4 cm para construir una celda solar.

ocaso. Etapa en la que un cuerpo celeste en el hemisferio visible, sobre el horizonte, pasa al hemisferio invisible.

oeste. Uno de los puntos cardinales por donde se pone el Sol en los días de equinoccio. Su dirección está a 90° a la izquierda del norte.

onda. Perturbación que se mueve a través de la superficie de un fluido.

onda electromagnética. Perturbación que se propaga desde cualquier carga eléctrica, que oscila o que es acelerada; estando lejos de la carga, consiste en campos electromag-néticos que vibran y se mueven a la velocidad de la luz.

393

onda óptica. Perturbación óptica relacionada con la luz o radiación electromagnética que hace uso de sus propiedades ondulatorias.

onda térmica. Perturbación debida a una variación de temperatura, que se propaga a través de un medio.

opacidad. Flujo de luz incidente sobre un medio dividido por el flujo de la luz transmitida, la cual ha sido dispersada o absorbida.

opaco. Medio impermeable a los rayos de luz.

OPEC. Siglas en inglés de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (Organization of Petroleum Exporting Countries), conocida en español como OPEP.

OPEP. Siglas en español de la Organización de Países Exportadores de Petróleo.

óptica. Ciencia que estudia los fenómenos asociados con la generación, transmisión y detección de radiación electromagnética en el intervalo espectral de ondas, desde rayos X hasta onda corta.

óptica física. Estudio de la interacción de ondas electromagnéticas en el intervalo de frecuencias ópticas en un material que forma el sistema óptico.

óptica geométrica. La geometría de los caminos de los rayos de luz y el conjunto de imágenes a través de un sistema óptico.

óptica ondulatoria. Rama de la óptica relacionada con la luz o radiación electromag-nética, que hace uso de las propiedades ondulatorias de dicha radiación.

orientación. Dirección de los ejes de un cristal relativa a las caras de éste.// La dirección de un edificio o colector solar.

orientación polar de un concentrador. Concentrador solar, principalmente del tipo cilíndrico parabólico, donde el eje que tiene una orientación norte-sur, está alineado paralelamente al eje polar de la tierra. Esto quiere decir que la irradiancia solar directa es normal en los equinoccios.

oriente. Dirección a 90º del norte, hacia la derecha. En los equinoccios, el Sol sale por este punto cardinal.

OTEC. Siglas en inglés de conversión de energía usando los gradientes térmicos en los océanos (ocean thermal energy conversión).

oxidación. Reacción química en la que un elemento o compuesto se combina con oxígeno.

oxirreducción. Oxidantes y reductores.

ozono (O3). Forma alotrópica del oxígeno como una molécula triatómica.

ozono estratosférico. Capa en el exterior de la atmósfera que absorbe la mayor cantidad de radiación ultravioleta proveniente del Sol.

394

P pánel fotovoltaico. Charola con celdas fotovoltaicas alineadas en varias hileras, que se conectan en serie y en paralelo, generalmente para dar un voltaje máximo de 18 volts. Esta charola se encuentra cubierta con una placa de vidrio, para proteger las celdas del ambiente.

pánel fotovoltaico con concentrador. Pánel fotovoltaico que hace uso de lentes o un concentrador con reflectores para incrementar la irradiancia solar sobre las celdas fotovoltaicas.

pánel radiante. Dispositivo utilizado para calefacción, de manera que emite calor por medio de un fluido que circula a través de él.

par electrón-hueco. Cuando se rompe un enlace covalente en un cristal, se libera un electrón y queda un hueco en el lugar correspondiente, el cual podrá moverse si se aplica un voltaje externo.

parábola. Curva cuya ecuación es y = ax2 + bx + c.

paraboloide de revolución. Platillo con perfil parabólico.

pasivo. Concepto usado en los sistemas solares térmicos, donde el movimiento del fluido de transferencia de calor se mueve debido al cambio de densidades.

película antirreflejante. Película delgada de material dieléctrico colocada en un material transparente para reducir su reflexión a la irradiancia solar.

película selectiva. Recubrimiento por electrodeposición, erosión iónica, atomización o baños químicos, que forma una película sobre un metal, y tiene propiedades de absortividad alta en el espectro visible y emisividad baja en el espectro infrarrojo.

pérdida de carga. Diferencia en presión entre dos puntos de un sistema con fluidos dinámicos, causada principalmente por fenómenos de fricción en las paredes del ducto.

pérdida térmica. Energía o potencia transmitida hacia el exterior de un sistema en forma de calor.

perigeo. En la órbita de un cuerpo, el punto con menor distancia al centro de tal órbita.

perihelio. Sobre la órbita planetaria, el punto que se encuentra más cercano al Sol.

persiana. Apertura en pared o techo con sesgos o tiras inclinadas que permiten la entrada o bloqueo de rayos solares, así como la ventilación ambiental. Puede ser fija o flexible.

persiana autorregulable. Ventana en el techo que puede estar abierta y ser usada para ventilar, iluminar y colectar calor radiante.

PET. Siglas en inglés de polietileno de tereftalato (polyethylene terephtalate), un material usado en energía solar.

395

pintura selectiva. Pintura comercial que tiene propiedades ópticas selectivas, alta absortividad y baja emisividad.

piranómetro. Aparato utilizado para medir la irradiancia solar global.

piranómetro esférico. Piranómetro que mide la irradiancia sobre una superficie esférica.

pirheliómetro. Instrumento que mide la irradiancia solar normal directa, es decir, la que incide de forma normal en dicho dispositivo, en todo momento. Necesita un sistema de seguimiento solar para realizar tales mediciones.

pirgeómetro. Instrumento que mide la irradiancia atmosférica sobre una superficie horizontal negra a temperatura ambiente.

pirradiómetro. Instrumento que mide irradiancia total (solar más terrestre).

pirradiómetro de balance. Véase pirradiómetro de irradiancia neta.

pirradiómetro de irradiancia neta. Instrumento para medir el flujo de irradiancia total de la parte superior del sensor en posición horizontal, así como la parte inferior, de manera que mide irradiancia solar, terrestre, superficial y atmosférica.

planta solar fotovoltaica. Decenas o centenas de páneles fotovoltaicos interco-municados para generar corriente directa, que posteriormente puede convertirse en corriente alterna para conectarse a la red.

planta solar térmica. Central solar-térmica que produce electricidad por medio de una conversión concentrada de irradiancia solar. Para la producción de energía mecánica se usa una turbina acoplada con un alternador para la producción de electricidad.

plasma. Fluido constituido por cargas eléctricas tanto positivas como negativas pero en igual número, de manera que en conjunto se encuentra en un estado neutro. Tiene luminosidad y se utiliza, por medio de erosión iónica, para depositar películas en sustratos de vidrio, con el fin de generar filtros solares o espejos.

plásticos o plastómeros. Serie de materias primas que, al mezclarse con ingredientes adecuados o aditivos, dan las materias plásticas de las cuales se obtienen los semielaborados y productos finales. Los plastómeros y elastómeros pertenecen a esta familia y se conocen como altos polímeros.

pleno. Ducto o tubería grande que distribuye o recoge un fluido hacia o desde un circuito de ductos o tuberías más pequeñas.

pluviómetro. Aparato para medir la cantidad de agua precipitada durante la lluvia.

PMMA. Siglas en inglés de metacrilato de polimetilo (polymethyl metacrylate), conocido como acrílico, y usado en dispositivos solares.

poder emisivo. Es la rapidez de emisión de energía radiativa por unidad de área de una superficie.

396

polarización. Propiedad de una onda transversal que vibra u oscila. Es una magnitud de carácter vectorial y tiene una dirección perpendicular a su dirección de propagación. Si la propiedad de oscilación o vibración se realiza de modo predecible, se dice que está polarizada en una dirección fija y siempre paralela a ésta (polarización lineal). También se puede realizar con un vector que describa la vibración rotando a una frecuencia dada alrededor de la dirección de propagación (polarización circular).

policristalino. Sustancia rígida formada por cristales pequeños orientados cada uno al azar. La unión de cada uno de ellos se conoce como frontera o defectos de grano.

poliestireno. Aislante térmico rígido.

polietileno. Plástico delgado transparente o translúcido, usado como cubierta en invernaderos.

poliuretano. Aislante térmico que puede aplicarse como una placa rígida o en forma de espuma que fluye y se expande, en espacios regulares e irregulares.

polo celeste. Cualquiera de los dos puntos de intersección de la esfera celeste y la extensión lineal del eje polar terrestre, que se conocen como norte y sur polar.

polo geomagnético. Cualquiera de dos puntos antípodas que marcan la intersección de la superficie terrestre con el eje extendido de un dipolo, que se supone está localizado en el centro de la Tierra y que se aproxima al campo magnético real de la Tierra.

portador. Electrón o hueco en un semiconductor tipo n y p.

portador mayoritario. Portador, electrón o hueco, que constituye más de la mitad de portadores en un semiconductor.

portador minoritario. Portador, electrón o hueco, que constituye menos de la mitad del número total de portadores en un semiconductor.

potencia calorífica. Cantidad de calor liberado en la combustión completa de una unidad de peso o una unidad de volumen del combustible en cuestión.

potencia emisiva monocromática. Rapidez con que una superficie emite radiación térmica de longitud de onda λ por unidad de área y por unidad de longitud de onda, en todas direcciones.

potencia emisiva total. Rapidez con que una superficie emite energía radiante por unidad de área en todas direcciones y en todo el espectro completo.

potencia pico. Véase carga pico.

precalentador solar. Uso de energía solar para calentar parcialmente una sustancia por medio de un colector solar.

presión de radiación. Presión ejercida por los fotones provenientes de una fuente luminosa, y que chocan con algún obstáculo. A nivel microscópico algunos fotones pueden resultar rechazados por la presión de radiación.

397

proceso Czochralski. Método para hacer crecer cristales usando una semilla cristalina; por ejemplo, silicio.

propiedades extensivas. Propiedad no inherente de un sistema, la cual cambia con la cantidad de material en el sistema. El valor cuantitativo es igual a la suma de los valores de la propiedad para los constituyentes individuales; por ejemplo, masa, volumen energía, etc, son algunas propiedades de este tipo. Pueden cambiar con el tiempo.

propiedades hemisféricas radiativas. Propiedades radiativas de un elemento de superficie que se promedian sobre todos los ángulos sólidos que pasan a través de un hemisferio, cuyo centro es el elemento de superficie.

propiedades intensivas. Propiedades independientes de la cantidad, forma o tamaño de la sustancia bajo consideración. Estas no son aditivas y pueden cambiar de lugar a lugar en el sistema en cualquier momento. Además pueden ser función de la posición y el tiempo; por ejemplo, volumen específico, presión, temperatura, etc.

PSA. Siglas de Plataforma Solar de Almería, en España. Es una institución donde se llevan a cabo diferentes desarrollos sobre aplicaciones de la energía solar.

psicrometría. Rama de la termodinámica asociada con mediciones del contenido de vapor de agua en el aire u otros gases.

psicrómetro. Instrumento que mide la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo, para determinar la humedad relativa del aire u otros gases.

punto Aries o punto vernal. Intersección del Ecuador con la eclíptica o el punto del cielo en que aparece el Sol en el instante del equinoccio de primavera (20 o 21 de marzo).

punto eutéctico. Punto en el diagrama constituyente de una mezcla de sales que indica la temperatura con un punto de fusión más bajo que el de los componentes de tal mezcla.

punto Libra o punto del equinoccio de otoño. Intersección del Ecuador con la eclíptica o el punto del cielo en que aparece el Sol, en el instante del equinoccio de otoño (22 o 23 de septiembre).

PURPA. Siglas en inglés del Reglamento Regulador de Plantas Generadoras de Electricidad, en EUA (Public Utility Regulatory Polices Act).

Q quad. Unidad de energía calorífica igual a 1015 BTU o 1.055 x 1018 joules.

quántum. Entidad resultante de cuantización de un campo u onda, que tiene propiedades semejantes a una partícula, como energía, masa, moméntum y momento

398

angular; por ejemplo, el fotón es un quántum de un campo electromagnético y el fonón es el quántum de la vibración de una red cristalina.

quark. Una de las partículas hipotéticas base, cuya magnitud de carga es un tercio o dos tercios de la carga del electrón; en teoría muchas partículas elementales pueden estar formadas por quarks.

R radiación. Emisión y propagación de energía electromagnética a través del espacio o de algún material.

radiación circunsolar. Radiación solar dispersa por la atmósfera en un aro angular alrededor del Sol. Produce la aureola solar, cuya extensión angular está directamente relacionada con la turbidez atmosférica, por lo que aumenta al aumentar la turbidez. Generalmente la anchura angular del Sol con su aureola se considera de 5 grados.

radiación espectral. Véase radiación monocromática.

radiación monocromática. Radiación electromagnética confinada en un intervalo muy estrecho. Puede considerarse como sinónimo de radiación espectral, ya que ésta generalmente se considera en un intervalo pequeño.

radiación nocturna. Cantidad en que la radiación infrarroja terrestre saliente excede la irradiancia infrarroja entrante, que proviene del cielo.

radiador. Dispositivo destinado a la emisión de energía radiante.

radiador selectivo. Objeto que emite radiación electromagnética cuya distribución de energía espectral difiere de la de un cuerpo negro pero con la misma temperatura.

radián. En una circunferencia, el arco cuya longitud es igual al radio. Esta unidad se usa como medida de ángulos y arcos; por ejemplo, la longitud de una circunferencia es 2π rad, o sea 2π rad = 360°.

radiancia (W/m2 sr). Flujo radiante que sale o llega a una superficie en una dirección dada por unidad de ángulo sólido y por unidad de superficie proyectada ortogonalmente en esa dirección.

Radiation. Serie de satélites de observación destinada a medir irradiancia solar.

rayo. Curva cuya tangente en cualquier punto está en la dirección de propagación de la onda de luz.

rayo convergente. En concentradores tipo parabólico, es el rayo reflejado que se dirige al foco de la parábola.

rayo incidente. Rayo que llega a un colector solar.

399

rayo reflejado. Rayo que se refleja en un vidrio, espejo u otro objeto de cualquier color.

rayo refractado. Rayo que al incidir en una lente cambia de dirección, debido a la diferencia en índices de refracción de los medios.

razón de concentración. Razón de la densidad del flujo radiante saliente respecto al flujo entrante.

reacción endotérmica. Reacción química que absorbe calor.

reacción exotérmica. Reacción química que libera calor.

reacción fotocrómica. Reacción química que produce cambio de color.

reacción fotoquímica. Reacción química influida o iniciada por luz, particularmente luz ultravioleta.

reacción redox. Véase redox.

receptor. Dispositivo colocado en el foco de un concentrador solar que absorbe la irradiancia solar directa en forma concentrada.

recombinación. Combinación y neutralización resultante de partículas u objetos con cargas diferentes, como un hueco y un electrón, o un ión positivo y otro negativo.

recubrimiento metálico. Formación de una película metálica adherente sobre un objeto. Frecuentemente este método se usa en películas selectivas como niquelado y cromo negro.

redox. Proceso químico en el que ocurren reducción y oxidación.

reducción fotoquímica. Reducción química producida por radiación electromagnética.

reducción química. Reacción química de hidrógeno con otra sustancia. También conocida como reacción química en la que un elemento gana un electrón.

reflectividad. Propiedad de una superficie que describe qué fracción de energía incidente es reflejada por la superficie.

reflectividad difusa hemisférica. Propiedad de un cuerpo cuando la energía incidente en cierta dirección se refleja con una intensidad uniforme en todas las direcciones, apareciendo igualmente brillante en cualquier dirección.

reflectividad espectral bidireccional. Propiedad dependiente de la temperatura. Es la razón que expresa la contribución de la intensidad espectral que incide con cierto ángulo, y que ésta proporciona a la intensidad espectral reflejada en una determinada dirección diferente de la de incidencia. El término bidireccional debe entenderse como el ángulo con que la energía incidente llega sobre la superficie, pero también depende de la dirección considerada para la energía reflejada.

400

reflectividad espectral direccional-hemisférica. Energía reflejada en todos los ángulos sólidos dividida entre la energía incidente espectral con una sola dirección. En reciprocidad, se obtiene la intensidad uniforme incidente en todas direcciones (véase reflectividad espectral hemisférica-direccional).

reflectividad espectral hemisférica. Si la energía incidente espectral llega desde todos los ángulos del hemisferio, entonces la fracción de la intensidad que se refleja en un determinado ángulo se conoce como reflectividad espectral hemisférica.

reflectividad espectral hemisférica-direccional. Esta propiedad se refiere a cuando la intensidad espectral se refleja en una sola dirección pero con una radiación incidente espectral que llega en todas direcciones.

reflectividad especular. Reflectividad de ondas electromagnéticas que al ser reflejadas viajan en una determinada dirección; además, las direcciones de las ondas incidentes y reflejadas hacen ángulos iguales con una línea perpendicular a la superficie reflejante en el mismo plano. En otras palabras, también es una superficie reflejante (metal o vidrio aluminizado o plateado) que da una imagen directa de la fuente, con el ángulo de reflexión igual al de incidencia.

reflectividad mixta. Reflectividad de radiación electromagnética por una superficie áspera con grandes irregularidades.

reflectividad monocromática. Reflejancia óptica restringida a un intervalo muy estrecho de irradiancia solar.

reflectividad múltiple. Véase reflectividad secundaria.

reflectividad secundaria. Reflectividad de la luz que se regresa y vuelve a incidir varias veces en superficies de alta reflejancia.

reflectividad selectiva. Reflejancia de radiación electromagnética en ciertas longitudes de ondas.

reflectividad total bidireccional. La contribución hecha por la energía incidente total en una dirección dada a la intensidad total reflejada en otra dirección dada, se conoce como reflectividad total bidireccional.

reflectividad total direccional-hemisférica. Es la fracción de la energía total incidente en una dirección dada, que se refleja en todas las direcciones angulares.

reflectividad total hemisférica. Si la radiación total incidente llega a todos los ángulos del hemisferio, la razón de ésta con la reflejada en todas direcciones, se conoce como reflectividad total hemisférica.

reflectividad total hemisférica-direccional (sólo para irradiancia difusa incidente). Se conoce como la razón de la intensidad reflejada dividida entre la intensidad incidente.

401

reflectómetro. Instrumento fotoeléctrico para medir la reflejancia óptica de una super-ficie reflejante.

reflector. Material que refleja la irradiancia solar.

reflector blanco. Reflector que refleja la energía radiante en todas las longitudes de onda y no absorbe nada.

reflector de Fresnel. Dos o más espejos planos inclinados en forma escalonada que concentran la irradiancia solar directa sobre un absorbedor.

reflector difuso. Cualquier superficie cuyas irregularidades son tan grandes compa-radas con la longitud de onda de la radiación incidente, que los rayos reflejados están en una multiplicidad de direcciones.

reflector especular. Superficie reflejante (metal pulido o vidrio aluminizado o plateado) que da una imagen directa de la fuente, con el ángulo de reflexión igual al de incidencia.

reflejancia. Razón de la energía transportada por una onda reflejada por una superficie, respecto a la energía transportada por la onda incidente sobre dicha superficie.

reflexión. Regreso de ondas o partículas desde una superficie en la que incidieron.

reflexividad. Véase reflectividad.

refracción. Cambio de dirección en la propagación de las ondas electromagnéticas cuando pasan de un medio a otro, donde la velocidad de onda es diferente.

refractividad. Medida cuantitativa de refracción, generalmente índice de refracción.

refractómetro. Aparato utilizado para medir los índices de refracción.

refrigeración. Enfriamiento de un espacio o sustancia, a una temperatura menor que la ambiental.

refrigeración pasiva. Sistema de enfriamiento solar que opera por medio de la gravedad y en el que existe evaporación para recuperar y transferir energía.

refrigeración por absorción. Refrigeración por medio de la expansión de amonio líquido en gas y absorción del gas por agua; el amonio se reúsa después de que el agua se evapora.

refrigeración por adsorción-desadsorción. Usando sólidos o líquidos adsorbentes es posible eliminar el vapor de agua existente en el aire. Los materiales pueden regenerarse por medio de calor solar. De esta forma, el agua se usa para enfriar corrientes de aire por saturación parcial, de manera que el aire está en condiciones de enfriar el sistema.

refrigeración por compresión de vapor. Ciclo de refrigeración en el que el refrigerante es circulado por una máquina que permite la ebullición o evaporación sucesiva del líquido refrigerante. Cuando éste pasa a través de la válvula de expansión,

402

produce un efecto de enfriamiento en su vecindad, seguido por una compresión de vapor en líquido.

refrigeración solar. Enfriamiento que es mecánicamente suministrado por energía solar o realizado por medio de un sistema solar pasivo. En el primer caso, se usan bombas de calor o dispositivos eléctricos solares que mecánicamente pueden enfriar el espacio vecinal. En el segundo, sombreados horizontales, ventilación, arquitectura solar, sumideros de calor masivos y otros elementos que contribuyen al enfriamiento.

refrigerante. Fluido de trabajo, como el freón, utilizado en dispositivos de enfriamiento para absorber y disipar el calor.

rejilla para fotocelda. Malla colocada sobre una celda fotovoltaica que realiza la función de electrodo.

reloj de Sol. Instrumento que indica la hora por medio del Sol. Se compone de una varilla o paleta delgada que produce una sombra sobre un plato calibrado, donde están marcadas las horas, así la sombra sobre éstas señala la hora del día según la posición del Sol.

resistencia térmica. Medida de la habilidad de un cuerpo para evitar que fluya calor a través de él.

resistividad térmica. Recíproco de conductividad térmica.

respuesta espectral. Respuesta de un dispositivo o material a la luz monocromática como función de la longitud de onda.

S sal eutéctica. Composición particular de una mezcla de sales que permite bajar el punto de fusión comparado con sales puras.

sal fundida. Fluido de transferencia de calor, compuesto generalmente por sales eutécticas, el cual se utiliza en sistemas de torre de central y en canal parabólico. Estas sales pueden ser almacenadas o transferir su calor al fluido de trabajo.

sales. Compuestos químicos, sólidos a temperatura ambiente, los cuales se caracterizan por un enlace iónico entre un componente electropositivo (metálico) y otro electronegativo (radical ácido o residuo halogénico).

salida del Sol. Véase amanecer.

salmuera. Solución con sales disueltas cuya salinidad es mayor que la del agua de mar.

satélite artificial. Cuerpo lanzado desde la Tierra, dotado de una velocidad tangencial que lo obliga a girar alrededor de la Tierra.

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satélite artificial geoestacionario. Satélite artificial que describe una órbita completa alrededor del Ecuador en 24 horas exactas. Por esta razón da la impresión de estar fijo.

saturación. Condición en que la presión parcial de cualquier fluido constituyente es igual a su máxima presión parcial posible bajo las condiciones ambientales existentes, de manera que cualquier aumento en la cantidad de ese constituyente, iniciará dentro de él un cambio a un estado más condensado.

SCE. Siglas en inglés de la Compañía de Electricidad del Sur de California (Southern California Edison Co), la cual compra la electricidad generada por las plantas termosolares SEGS.

SDWH. Siglas en inglés de colector solar doméstico para calentar agua (solar domestic water heating).

secador solar. Dispositivo construido con colectores planos o concentradores solares para producir aire caliente, el cual se hace circular a través de un material que se desea secar para reducir su humedad.

SEGS. Siglas en inglés de los módulos solares de canal parabólico (solar electric generating systems), construidos por LUZ.

seguidor solar. Mecanismo automático que permite que un concentrador o colector solar se mueva a lo largo del día, para que esté enfocado de manera que la irradiancia sea máxima sobre su apertura. Este mecanismo generalmente se usa en sistemas fotovoltaicos y concentradores solares de alta temperatura.

seguidor solar de dos ejes. Mecanismo montado en un sistema de concentración puntual. El más conocido es la montura ecuatorial, que consta de dos ejes perpendiculares: un eje polar, colocado en posición paralela al eje de rotación de la Tierra, y que corrige el ángulo horario (movimiento este-oeste), y un segundo eje, conocido como eje de declinación, que se ajusta una vez al día. Existe también la montura acimutal, la cual es una combinación de un eje vertical y otro horizontal; sin embargo, no se pueden usar en seguimientos prolongados, ya que implicaría ajustar continuamente los dos ejes de la estructura.

seguidor solar de un eje. Mecanismo montado en sistemas de concentración de foco lineal. El concentrador puede estar en posición horizontal con orientación norte-sur y movimiento diario este-oeste. Otra alternativa es la posición horizontal con orientación este-oeste y movimiento diario en dirección norte-sur. Finalmente existe la posición polar norte-sur con movimiento diario este-oeste.

segundo. Unidad de tiempo, que se define como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de Cesio 133.

404

SEIA. Siglas en inglés de la Asociación de Industrias de Energía Solar, de EUA (Solar Energy Industries Association).

selenuro de cobre-indio (CuInSe2). Material utilizado en la fabricación de celdas solares. Está formado como un compuesto de cobre, indio y selenio

semiconductor. Sólido cristalino cuya conductividad eléctrica es intermedia entre un conductor y un aislante. Su valor oscila entre 105 y 10-7 mhos por metro y, generalmente, su conductividad depende de la temperatura.

semiconductor extrínseco. Semiconductor cuyas propiedades eléctricas dependen de las impurezas añadidas al cristal semiconductor.

semiconductor intrínseco. Semiconductor cuya concentración de portadores de carga es característica del material y no de sus impurezas o defectos en su estructura cristalina. Se conoce también como semiconductor tipo i.

semiconductor tipo n. Semiconductor extrínseco en que la densidad de conducción de electrones excede a la de huecos.

semiconductor tipo p. Semiconductor extrínseco en que la densidad de huecos excede a la densidad de conducción de electrones.

semiconductor tipo p+ . Semiconductor tipo p en el que el exceso de la concentración de huecos móviles es muy grande.

sensibilidad espectral. Véase respuesta espectral.

SERI. Siglas en inglés del anterior Instituto de Investigaciones en Energía Solar, de EUA (Solar Energy Research Institute), hoy conocido como NREL.

serpentín. Tubo de diámetro pequeño respecto a su longitud. Usualmente está curvado varias veces sobre sí mismo, de manera que ocupa poco espacio y presenta una gran superficie de irradiancia.

siemens (S). Unidad de conductancia, admitancia y suceptancia igual a la conductancia entre dos puntos de un conductor, de manera que la diferencia de potencial de 1 volt entre estos puntos produce una corriente de un ampere. La conductancia de un conductor en siemens es el recíproco de ohm.

silicio (Si). Elemento no metálico del grupo IV, con número atómico 14 y peso atómico 28.086.

silicio amorfo. Material utilizado en la fabricación de semiconductores, que no tiene estructura cristalina.

silicio monocristalino. Silicio cristalino crecido artificialmente y en el que todas las partes tienen la misma orientación cristalográfica.

silicio policristalino. Material compuesto de pequeños cristales de silicio orientados al azar y unidos por la denominada frontera de grano.

405

silicón. Material construido de polímeros que contienen átomos de silicio y oxígeno. En su forma comercial es repelente al agua y se usa como sello en dispositivos solares.

simetría cristalina. Repetición de un elemento real de acuerdo con ciertas leyes. Es una de las propiedades esenciales de la materia cristalina.

simulador solar. Arreglo con base en lámparas de halógeno que se utiliza en lugares cerrados para simular artificialmente la irradiancia solar. Generalmente se emplea para evaluar dispositivos solares chicos.

sinéresis. Fenómeno que consiste en la contracción espontánea de un gel con la separación de la parte líquida.

sistema de captación solar. Elementos que captan la irradiancia solar y la transforman en una forma de energía útil.

sistema de control. Sistema en que las salidas de uno o más componentes son forzadas a cambiar de una manera deseada en función del tiempo.

sistema de sombreado. En un edificio, elementos que producen sombra en épocas de alta irradiancia solar.

sistema óptico. Sucesión de dos o más superficies refringentes o reflejantes, utilizadas para obtener la imagen de un objeto.

sistema para almacenar calor. Dispositivo utilizado para almacenar fluidos de transferencia de calor que han absorbido el calor generado por la irradiancia solar sobre un colector o concentrador.

sistema solar activo. Sistema solar para calentamiento o enfriamiento que opera por medios mecánicos, como motores, bombas o válvulas.

sistema solar pasivo. Sistema solar para calentamiento o enfriamiento que opera por medio de la gravedad, flujo de calor o evaporación sin la intervención de dispositivos mecánicos para captar y transferir energía.

sistemas cristalinos. Cada una de las siete posibles agrupaciones de clases cristalinas.

SMN. Siglas del Servicio Meteorológico Nacional, en México.

SNLA. Siglas en inglés de los Laboratorios Nacionales de Sandia en Albuquerque, de EUA (Sandia National Laboratories at Albuquerque), que realizan grandes proyectos de energía solar.

sobrecalentamiento. Efecto que, bajo ciertas condiciones, sufre un conductor al ser calentado en demasía, lo que ocasiona la pérdida o degradación de sus propiedades.

Sol. Estrella alrededor de la cual gira la Tierra. Consta de una acumulación de gas con un diámetro de 1.4 x 106 km, que se mantiene compactado debido a su gravedad. En su interior, se realizan reacciones de tipo termonuclear que convierten hidrógeno en helio, y son generadoras de la energía que emite.

406

Sol aparente. Sol como le aparece a un observador.

Sol ficticio. Debido a que la órbita aparente recorrida por el Sol es una eclíptica, la cual está inclinada unos 23º respecto al Ecuador, el movimiento del Sol no es uniforme. Para simplificar cálculos, se considera que este cuerpo celeste tiene un movimiento uniforme y se conoce como Sol ficticio, que coincide con el Sol verdadero en el perigeo y en el apogeo.

Sol medio. Movimiento uniforme de un Sol hipotético que recorre el ecuador.

Sol verdadero. Dado que el movimiento del Sol no es uniforme, no se puede utilizar para medir tiempos, pues en el perigeo va más deprisa que en el apogeo. Se considera que recorre el plano que es de la eclíptica y que corta al Ecuador en la línea de los equinoccios.

solana. Espacio cerrado cubierto con vidrio donde los rayos solares pueden penetrar.

SolarPACES. Denominación formada parcialmente con las siglas en inglés, de los Sistemas Generadores de Electricidad y Sistemas Químicos (Solar Power and Chemical Energy Systems). Estos constituyen un programa dependiente de la Agencia Internacional de Energía, en el que los países constituyentes se enfocan a la solución de aspectos relacionados con la generación de electricidad por medio de concentradores, así como a la desintoxicación de agua contaminada con sustancias tóxicas por medio de concentración solar.

soleado. Días claros o con poca nubosidad.

soles. En lugar del factor de concentración, algunas veces se utiliza la cantidad adimensional sol para referirse al flujo de irradiancia solar en forma natural que recibe una superficie plana. Esta cantidad puede multiplicarse decenas de veces, por medio de concentradores.

solsticio. Cada uno de los dos instantes del año cuando la Tierra se localiza en su órbita de manera que la inclinación del eje polar (23.5º) está hacia el Sol: junio 21 para el hemisferio norte y diciembre 22 para el hemisferio sur. Durante esta época el Sol alcanza los dos puntos de la eclíptica más alejados del Ecuador.

solución. Mezcla de líquido, sólido o gas cuyos componentes están distribuidos unifor-memente.

soluto. Sustancia disuelta en un solvente.

solvente. La parte de una solución que está presente en mayor cantidad.

sublimación. Transformación directa de un sólido en vapor.

superficie selectiva. Película adherida a un sustrato con alta absortividad en el espectro visible y baja emisividad en el infrarrojo. Véase película selectiva.

407

sur. Uno de los puntos cardinales. De las dos intersecciones del plano meridiano con el horizonte, el punto Sur es aquel orientado en sentido opuesto a la Estrella Polar. Su dirección está a 180º del norte.

sustentabilidad. Condiciones que aseguran la existencia de la raza humana, por medio de geosistemas que pueden ayudar al desarrollo de la humanidad.

sustentable. Acción que no daña el hábitat para las generaciones subsecuentes y les permitirá realizar y disfrutar una forma de vida semejante o mejor que las normas actuales.

T tabla solar. Listado donde se encuentran los valores de acimut y altura.

tedlar. Nombre comercial del fluoruro de polivinil.

teflón. Materia plástica fluorada con propiedades dieléctricas, ópticas y mecánicas importantes. Éste se obtiene por polimerización del tetrafluoretileno.

telurio de cadmio (CdTe). Material oscuro formado por cristales cúbicos con un punto de fusión a 1 080ºC. Es soluble con descomposición en ácido nítrico, y se usa para construir semiconductores y celdas fotovoltaicas.

temperatura. Índice térmico en el cual se encuentra una determinada cantidad de energía. También se considera como la medida de calentamiento o enfriamiento de un objeto o sustancia respecto a un valor de referencia estándar. Más formalmente, la temperatura se relaciona con la energía cinética de las moléculas, y se puede definir como la condición de un cuerpo que determina su transferencia de calor desde o hacia otros cuerpos.

temperatura de confort. Cualesquiera de los índices a los que la temperatura del aire se ajusta para proporcionar confort o disconfort humano, bajo las condiciones prevalecientes de temperatura, humedad, irradiancia solar y viento.

temperatura efectiva. Temperatura que, sin movimientos de aire, induciría a un trabajador sedentario con vestimenta ordinaria y en el interior de un edificio, la misma sensación de confort inducida por las condiciones reales de temperatura, humedad y aire en movimiento.

temperaturas absolutas (K). Escala de temperaturas definidas por Kelvin por medio de TK = Tc + 1/γ, donde TK es temperatura absoluta, Tc temperatura en ºC y γ coeficiente de dilatación de los gases ideales a presión constante. Como 1/γ = 273.14, TK = Tc + 273.14.

408

tensión de vapor. Presión máxima del vapor saturado en presencia de un líquido con el cual está en equilibrio a cierta temperatura.

tensión de Zener. Véase voltaje Zener.

termistor. Componente de un circuito resistivo que tiene un coeficiente de temperatura negativo, de manera que presenta cambios grandes de su resistencia con cambios pequeños de temperatura.

termocirculación. Véase circulación natural.

termoclina. Gradiente de temperatura en la capa de un estanque solar, natural o en el océano, en que la temperatura disminuye o aumenta con la profundidad. También se conoce como la capa de un cuerpo o almacén de calor que está estratificado térmicamente.

termocromismo. Propiedad reversible de una película de cambiar de color según los cambios de temperatura.

termodifusión. Fenómeno de difusión que se produce en el seno de un gas al existir un gradiente térmico. Véase difusión térmica.

termodinámica. Rama de la física que busca derivar de postulados básicos, las relaciones entre propiedades de la materia, especialmente las afectadas por intercambio de energías en forma de calor entre un sistema y otro; generalmente la energía y el trabajo de un sistema a nivel de macroescala. A microescala se estudian estos fenómenos por medio de la mecánica estadística, mediante la teoría cinética de gases.

termoelectricidad o efecto termoeléctrico. Conversión directa de calor en energía eléctrica o a la inversa, en la que se involucran los efectos Seebeck, Pelttier y Thomson. Sin embargo, por convención excluye otros fenómenos como la emisión termoiónica.

termografía. Fotografía que usa la radiación en la región del infrarrojo (calor) emitida por objetos en un intervalo de temperaturas predeterminado y que involucra colores para distinguirlos por medio de papel o a través de una pantalla.

termógrafo. Instrumento que percibe, mide y registra la temperatura de la atmósfera.

termograma. Registro realizado por un termógrafo.

termohalina. Propiedad relativa a la actividad conjunta de temperatura y salinidad en estanques solares.

termoisopleta. Un isograma o isopleta de temperatura es, específicamente, una línea sobre una gráfica climática que muestra la variación de temperatura en relación con dos coordenadas.

termólisis. Disociación de una sustancia por medio de calor.

termoluminiscencia. Cualquier luminiscencia que aparece en un material debido a la aplicación de calor.

409

termometría. Ciencia y tecnología para la medición de temperatura, así como el establecimiento de estándares para medir ese parámetro.

termómetro. Instrumento utilizado para medir la temperatura.

termómetro diferencial. Conexión de dos termopares en serie, donde debe haber dos uniones del mismo metal, para medir la diferencia de temperatura entre ellas, tomando una como punto de referencia. También se conoce al termómetro bimetálico como termómetro diferencial.

termómetro termoeléctrico primario. Termómetro eléctrico que consiste en un termopar. Una porción de uno de sus conductores se mantiene a una temperatura fija y conocida (referencia), generalmente 0ºC, de manera que es posible medir temperaturas con mayor precisión en los extremos que forman el circuito abierto de dicho termopar mediante un voltímetro. En la actualidad, la referencia se sustituye por dispositivos electrónicos que la simulan.

termomigración. Técnica utilizada para el dopado de semiconductores, en la que cantidades exactas de impurezas conocidas son expuestas para emigrar del lado frío de una oblea de tal material a la parte caliente, cuando se calienta en un horno.

termopar. Dispositivo que consiste básicamente en dos conductores diferentes y unidos. El voltaje termoeléctrico desarrollado en estas dos uniones es proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones (efecto Seebeck).

termopar diferencial. Véase termómetro diferencial.

termopila. Arreglo de termopares conectados en serie o paralelo para obtener a la salida un voltaje o una corriente alta. Se utiliza para medir temperatura o energía radiante o para convertir energía radiante en eléctrica.

termoquímica. Parte de la química que estudia el comportamiento de las reacciones químicas cuando existe absorción de calor.

termorregulador. Termostato de alta sensibilidad.

termosifón. Fenómeno que se presenta en un sistema cerrado de tubos conectados a una máquina enfriada por agua, que permite la circulación natural y enfriamiento del líquido, utilizando la diferencia en densidad de las porciones fría y caliente. También se conoce como la convección natural utilizada en un colector solar pasivo con almacén térmico, donde el agua caliente se almacena en este último.

termostato. Dispositivo que se utiliza para mantener la temperatura deseada de un sistema cerrado.

termoswitch. Interruptor térmico.

termounión. Empalme termoeléctrico en una de las superficies de contacto entre los dos conductores de un termopar.

410

tiempo aparente. Véase tiempo solar aparente.

tiempo solar aparente. Tiempo medido por el movimiento aparente diurno del Sol.

tiempo solar promedio. Tiempo de un Sol promedio ficticio que viaja con una velocidad uniforme a través del firmamento a lo largo del año.

tiempo solar verdadero. Ángulo horario del Sol o ángulo que forma con el meridiano del lugar.

torre de viento. Dispositivo utilizado para la circulación natural del aire en el interior de un edificio.

transferencia de calor. Movimiento de calor de un cuerpo a otro por medio de radiación, conducción o convección.

translúcido. Medio que transmite rayos de luz en forma difusa y que no es transparente.

transmisividad. Transmitancia interna de una pieza de una sustancia no difusora y de espesor unitario.

transmisividad monocromática hemisférica. Fracción de radiación monocromática que puede transmitirse a través de un medio semitransparente.

transmisividad total hemisférica. Al integrar en todas las longitudes de onda la trans-misividad monocromática hemisférica, se obtiene la transmisividad total hemisférica.

transmitancia (τ). Propiedad de un material que determina la fracción de energía que en el origen de su trayectoria sería trasmitida a través de un espesor dado.

transmitancia interna. Valor corregido de la transmitancia para eliminar los efectos de dispersión y reflexión de la superficie de la sustancia en cuestión, es decir, la razón de la potencia radiante que alcanza la salida superficial de la sustancia en cuestión en relación con la potencia radiante que abandona la superficie de entrada.

transmitividad. Véase transmisividad.

transparencia. Cualidad de una sustancia de transmitir luz de diferentes longitudes de onda, algunas veces medida en porcentaje de la radiación que penetra una distancia de un metro.

transparente. Que permite el paso de radiación o partículas.

triforio. Bóveda o cúpula sobre el nivel del techo.

TRNSYS. Siglas en inglés de Transient Systems Simulation, un programa desarrollado en la Universidad de Wisconsin para la simulación de sistemas solares en transitorios.

tubo de calor. Dispositivo de transferencia de calor que consiste en un tubo metálico sellado con un forro interno de material capilar retorcido y una pequeña cantidad de fluido en un vacío parcial; el calor se absorbe en un extremo por evaporación del fluido y es liberado en el otro extremo por condensación del vapor.

411

turbidez. Medida de la claridad de un líquido mediante escalas calorimétricas. Aparición brumosa o nubosidad en un líquido naturalmente claro, causada por la suspensión de gotas líquidas coloidales o sólidas finas.

turbina. Máquina utilizada para transformar la energía existente en la corriente de un fluido en energía mecánica rotatoria.

U UABC. Universidad Autónoma de Baja California, en México. Realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAEMEX. Universidad Autónoma del Estado de México, en Toluca, Edo Méx. Lleva a cabo proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAG. Universidad Autónoma de Guanajuato, en la ciudad de Guanajuato, México. Efectúa proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAM. Universidad Autónoma Metropolitana, en México, DF. Realiza proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAQR. Universidad Autónoma de Quintana Roo, Campeche, México. Esta Universidad lleva a cabo proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAS. Universidad Autónoma de Sonora, en Hermosillo, México. Efectúa proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

UAY. Universidad Autónoma de Yucatán, en Mérida, México. Lleva a cabo proyectos de investigación en energía solar, entre otros.

ultravioleta (UV). Perteneciente a la radiación ultravioleta. Se definen tres intervalos de ultravioleta: el 95 % de la irradiancia UV que logra atravesar la atmósfera y llega a la Tierra se conoce como UV-A, de 315 a 400 nm; el 5 % restante es UV-B, la cual corresponde a un intervalo de 280 a 315 nm. La UV-C es menor de 280 nm, en general corresponde a un intervalo de 200 a 280 nm y se produce con lámparas artificiales. El tipo UV germicida se encuentra cercano a 254 nm.

umbráculo. Cobertizo para resguardar las plantas del Sol.

UNAM. Universidad Nacional Autónoma de México. Realiza proyectos de investiga-ción en energía solar, entre muchos otros.

UNDF. Siglas en inglés del Programa de Desarrollo de las Naciones Unidas (United Nations Development Programme).

unión. Región de transición entre dos regiones semiconductoras diferentes en un dispositivo semiconductor tal como una unión pn, o entre un metal y un semiconductor.

412

unión termoeléctrica. Véase termounión.

V vacío. En sentido estricto es el espacio carente de materia. En sentido más amplio es el estado de rarefacción más o menos acentuada de un gas contenido en un recipiente.

vacuómetro. Dispositivo para medir presiones por abajo de la atmosférica.

valor R. Unidad para medir el valor aislante de un material o sustancia, o sea su resistencia al flujo de calor. Entre mayor sea su valor, mejores propiedades de aislante térmico tendrá. Se conoce como resistencia térmica.

valor U. Unidad utilizada para medir la habilidad de un material para transmitir calor en un edificio. Más formalmente, es el coeficiente total de transferencia de calor de un material, o sea, la combinación de varios coeficientes de transferencia de calor: radiación, convección y conducción. Es el inverso del valor R.

válvula check o válvula de no retorno. Dispositivo para limitar automáticamente el flujo en un sistema en una sola dirección.

válvula de expansión. En un fluido, válvula que al bajar su presión hace que aumente el volumen de dicho fluido.

vaporización. Conversión de una sustancia química de un estado líquido o sólido a un estado gaseoso o de vapor por la aplicación de calor, sea reduciendo la presión o por la combinación de ambos procesos.

vatio. Sinónimo de watt.

ventana inteligente. Vidrio con recubrimiento de películas especiales, que tiene la propiedad de cambiar su transmitancia ante cambios de temperatura, irradiancia solar, presión, etc. Estas son ventanas de tipo activo.

ventila. Apertura diseñada para permitir el flujo de aire.

ventilación. Arreglo para el movimiento, circulación y control de calidad de aire en un espacio cerrado.

ventilación artificial. Introducción de un flujo de aire a un espacio cerrado por medios mecánicos o de otro tipo.

ventilación natural. Ventilación débil y variable en un espacio cerrado causada por la diferencia en la densidad del aire por medio de chimeneas o ventiladores pasivos.

vidrio. Material ampliamente empleado en la energía solar. Es un material duro, amorfo, inorgánico, usualmente transparente y quebradizo. Se fabrica por la fusión de

413

silicatos y algunas veces con boratos y fosfatos, que con ciertos óxidos básicos evitan que al enfriarse rápidamente se cristalice.

viento solar. Flujo supersónico de gas compuesto de hidrógeno y helio ionizado que fluye continuamente del Sol hacia el sistema solar con velocidades de 300 a 1000 km/s, y, además, lleva campos magnéticos del Sol.

viscosidad. Resistencia de un sistema líquido o gaseoso al flujo cuando está sujeto a esfuerzo cortante. También se conoce como fricción interna o resistencia al flujo.

visera. Objeto que se coloca encima de la frente para defender la vista de la luz directa.

voltaje de falla Zener. Resulta de una falla no destructiva en un semiconductor, la cual ocurre cuando el campo eléctrico a través de la región de obstrucción es lo suficientemente alto. Produce una forma de emisión de campo y aumenta repentina-mente el número de portadores en esta región.

voltaje Zener. Voltaje medido a una corriente predeterminada en una región de interrupción eléctrica de un diodo semiconductor. También se conoce como el voltaje al que ocurre una interrupción eléctrica en un semiconductor

vuelo o voladizo. Distancia que un techo proyecta más allá del muro, medida horizontalmente.

W Watt pico. Unidad para medir el máximo funcionamiento de un dispositivo solar. Se usa ampliamente en la generación de electricidad, sea por métodos fototérmicos o fotovoltaicos.

WMO. Siglas en inglés de Organización Mundial de Meteorología (World Meteorological Organization).

WRC. Siglas en inglés de Centro Mundial de Radiación (World Radiation Center).

Z zapata. Elemento de soporte en la base de una columna, principalmente de concreto, que tiene como objetivo principal la repartición de los empujes sobre el terreno.

zenit. Véase cenit.

zona de confort. Intervalo de temperaturas interiores, humedad y movimiento del aire, con las cuales las personas consideran que física y mentalmente disfrutan el ambiente.

414

zona de gradiente salino. En un estanque solar, es la zona comprendida entre las zonas convectivas superior e inferior, la cual trabaja como aislante térmico debido a que es una zona no convectiva.

zona de gradiente térmico. Al establecerse un gradiente salino en un estanque solar, se genera un gradiente térmico, ya que la radiación penetra al fondo del estanque, donde la salmuera saturada la absorbe y se calienta de tal manera que, una vez elevada su temperatura, la zona no convectiva evita que se enfríe.

zona inferior de un estanque solar. Zona constituida por una solución saturada de sal, la cual es convectiva. Al atraparse la irradiancia solar en ésta, se calienta hasta temperaturas del orden de 100ºC, de manera que funciona como captador solar y almacén térmico.

zona superior de un estanque solar. Zona de agua dulce o de poca salinidad, que sirve para establecer el gradiente salino del estanque.

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RECONOCIMIENTOS

Cap 1

Las secciones 1.3, 1.4 y 1.5 de la publicación original fueron realizadas en su mayoría por Vicente Estrada-Cajigal, y la captura de gran parte de la información meteorológica por Joel Barrientos Ávila.

Iván Martínez, Arturo Sáez y Álvaro Lentz hicieron el laborioso trabajo de escanear y corregir los mapas.

Genaro Correa enriqueció con comentarios importantes este capítulo.

Cap 2

Varias dependencias de la UNAM apoyaron la realización de este estudio, facilitando espacio físico, becas e instalaciones para la experimentación: Instituto de Física, Instituto de Química y Centro de Investigación en Energía; mientras que el patrocinio provino de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA).

El doctor Chen Jiefeng, investigador visitante del Shanghai Institute of Ceramics, trabajó con los autores brindando su amplia experiencia y conocimientos.

El maestro Héctor Cruz Manjarrez aportó valiosos comentarios y ayuda técnica.

El señor Gabriel Mendoza Vega proporcionó ayuda técnica de enorme importancia para la realización del trabajo experimental.

Los árbitros —uno interno del IIUNAM y otro externo a esta institución—contribu-yeron con inestimables comentarios que ayudaron en mucho a mejorar este capítulo.

Cap 3

El doctor Marcos Mazari facilitó, en el Instituto de Física de la UNAM, el uso de la infraestructura necesaria para fabricar las películas en estudio.

La DGAPA y el CONACYT patrocinaron parte de este proyecto. La Dirección General de Intercambio Académico y la Dirección General de Estudios de Posgrado, ambas de

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la UNAM, financiaron parcialmente la estancia de investigación del primer autor, Genaro Correa, en Argentina.

El doctor P K Nair y el maestro Héctor Cruz Manjarez brindaron facilidades para analizar y medir, respectivamente, la transmisividad de las películas, y proporcionaron valiosas sugerencias. El doctor Juan Carlos Cheang Wong realizó los análisis de RBS.

En Argentina, la doctora Cristina Oviedo, de la Comisión Nacional de Energía Atómica, del Centro Atómico Constituyentes, proporcionó el equipo para las pruebas de espec-troscopía de fotoelectrones (ESCA).

En ese mismo país, la doctora Blanca Rosales, directora del Departamento de Corrosión del Centro de Investigaciones Científicas y Técnicas de las Fuerzas Armadas (CITEFA), invitó al primer autor a efectuar una estancia de investigación en dicho Centro, donde prestó además las facilidades necesarias para realizar los experimentos. También en CITEFA, Dante Jiménez, del Departamento de Corrosión, realizó las microfotografías por SEM y los espectros EDX; el doctor Raúl Tarulla, del Departamento de Química Analítica hizo los análisis de composición química de las muestras por FTIR, y Alejandro Fernández, del Departamento de Corrosión, aportó inapreciable ayuda y consejos para los experimentos.

El profesor Chen Jiefeng, del Shanghai Institute of Ceramics, hizo valiosos comentarios y sugerencias, durante su estancia en México.

Finalmente, los árbitros internos y externos realizaron una valiosa revisión, e hicieron acertados comentarios y sugerencias.

Gabriel Mendoza Vega aportó su generosa colaboración como laboratorista.

Cap 4

La sección 4.2 es parte de una investigación patrocinada por CNA, DGAPA-UNAM y CONACYT.

Los autores agradecen especialmente el apoyo del doctor Alberto Jaime a esta investigación, así como los comentarios de los notables investigadores Jesús Alberro y Marcos Mazari, y las oportunas sugerencias del doctor Gabriel Auvinet, quien otorgó además el generoso permiso para usar el permeámetro de pared flexible del Laboratorio de Geotecnia del Instituto de Ingeniería.

Asimismo, se agradece a la doctora Norma García el respaldo brindado para usar el Laboratorio de Edafología Mtro Nicolás Aguilera, de la Facultad de Ciencias de la UNAM; a los doctores Octavio Cano y Adolfo Cordero el uso de los laboratorios de

420

difracción de rayos-X del Instituto de Física de la UNAM, así como a la maestra Ma Angélica del C Arias, del Instituto de Geología de la UNAM, por los análisis de difracción de rayos X.

El profesor Howard C Bryant, de la Universidad de Nuevo México, dio todas las facili-dades para efectuar los experimentos relacionados con estanques solares (sección 4.3).

En el IIUNAM, Carlos Aguayo brindó su apreciable asistencia técnica; la maestra Emilia Soledad Lucario ayudó a obtener materiales y equipo para los experimentos; Guillermina Sánchez y Elizabeth Plata, de la Unidad de Sistemas de Información, facilitaron la información bibliográfica; y Angélica E Mendoza Neri, capturó la sección 4.3 de este documento.

Cap 5

La DGAPA y el PUE, ambos de la UNAM, además de la CFE, otorgaron apoyo para desarrollar esta investigación.

El programa SEP-PROMEP otorgó apoyo económico al ingeniero Vicente Flores Lara, para realizar su investigación de doctorado sobre el receptor bimetálico.

El señor Ceferino Figueroa Hernández aportó su valiosa colaboración en el desarrollo del trabajo experimental en la Planta Solar.

En especial, se agradece a los revisores, uno del Instituto de Ingeniería y otro externo, sus valiosos comentarios para mejorar este capítulo.

Cap 6

El autor expresa su reconocimiento a los árbitros del IIUNAM y externos que revisaron este diccionario, por sus valiosas observaciones y sugerencias.

Vicente Flores y Genaro Correa hicieron sugerencias y comentarios muy acertados.

Angélica Elizabeth Mendoza aportó dedicación y paciencia al capturar este capítulo.

Una vez publicado el glosario, se agradecerá todo tipo de comentarios, observaciones y nuevas palabras o términos que ayuden a enriquecerlo, y que podrán ser incluidas en una versión posterior, con el crédito correspondiente para quienes las proporcionen.

Finalmente, se reconoce la importante la labor de los árbitros que revisaron en forma global todo el libro, los cuales fueron diferentes de los que participaron en cada capítulo.

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APÉNDICE

PÁGINAS EN INTERNET RELACIONADAS CON ENERGÍA SOLAR

Arquitectura solar

http://www.eren.doe.gov/solarbuildings/ Aplicaciones de la energía solar en edificios http://www.solarhouse.com/ Casa solar http://www.fbe.unsw.edu.au/units/solarch/ Arquitectura solar, Australia http://stores.us.ohio-state.edu/~steen/homepower/41p038.html Enfriamiento solar en edificios http://www.egis.org/Helio_us.html Helióstatos pequeños para iluminación http://eetd.lbl.gov/BT.html Ahorro de energía en edificios http://eetd.lbl.gov/ Ahorro de energía en edificios Asociaciones y sociedades de energía solar

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Fotovoltaico

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SID 636

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