miércoles, 4 de septiembre de 2013

Casa Solar prototipo del ITESM: Meteorología


Uno de los recursos más importantes para la humanidad es la energía. El foco temático del Centro es el desarrollar investigación y emprendimiento de base tecnológica y social que lleve al mejor aprovechamiento del abundante recurso solar en México. Asimismo, coadyuvar al uso más racional de la energía a nivel industrial, en sus procesos y productos, haciéndolos más eficientes aplicando criterios de termodinámica, transferencia de calor y mecánica de fluidos.

El Centro nace a partir del proyecto Helios de 1976, liderado por el Dr. José Ángel Manrique y  financiado por la ONU-OEA y el socio estratégico empresa CelSol (hoy Óptima Energía). Posterior a la muerte del Dr. Manrique (2006, que en paz descanse) el Dr. Alejandro García, junto con su equipo de trabajo, continuaron con la investigación apoyados con fondos externos y de la Cátedra y Centro de Energía Solar y Termociencias.

La energía solar es en la actualidad uno de los métodos más limpios de producción de energía conocidos. La privilegiada ubicación de México (Figura A) permite que el territorio nacional destaque a nivel mundial dentro de las zonas con mayor promedio de radiación solar anual: con índices que van desde los 4.4 KWh/m2/día (zona Centro) a los 6.3 KWH/m2/día (zona Norte). Considerando la capacidad energética del Sol, resulta fundamental la adopción de políticas públicas que fomenten el aprovechamiento sustentable de la energía solar en nuestro país.

La ubicación geográfica del Centro y la Casa Solar del ITESM, Campus Monterrey, está ubicada en Calle Cipreses 200, esquina Ricardo Covarrubias, Colonia Cerro de La Silla C.P. 64810, en Monterrey Nuevo León, México. La tabla 1 presenta las características técnicas y geográficas del sistema experimental, mientras que en la figura B se presenta la localización satelital del lugar.

Figura: Ubicación satelital de la Casa Solar del ITESM.
 

Tabla 1. Características geográficas y datos de radiación solar para la Casa Solar del ITESM.






Casa Solar prototipo del ITESM: Historia

Casa Solar ITESM

La Casa Solar del Tecnológico de Monterrey es actualmente el edificio insignia del Centro de Energía Solar en el instituto y funge como espacio de apoyo para los proyectos de investigación y académicos llevados a cabo por la Cátedra de Investigación en Energía Solar y Termociencias. Se trata de un edificio de alto valor histórico, arquitectónico e institucional, su construcción se remonta a la segunda mitad de la década de los setenta y fue la culminación de un esfuerzo conjunto de un equipo pionero de profesores, investigadores y alumnos liderado por el Dr. José Ángel Manrique Valadez.

Con el choque petrolero de 1973, evento  en el que los precios de los combustibles fósiles se catapultaron vertiginosamente, el mundo se dio cuenta de la necesidad de contar con fuentes alternas de energía que garantizaran la dinámica industrial y de desarrollo de las sociedades modernas. A partir de este suceso catalizador comenzó lo que podría llamarse el primer “boom” de la energía solar en tiempos modernos. Fue en ese momento y con esta preocupación que instituciones alrededor del mundo comenzaron a dar gran importancia a impulsar el desarrollo y la adopción de tecnologías de construcción basadas en principios pasivos para el aprovechamiento del recurso solar. A lo largo de Europa y Norteamérica comenzaron a aparecer construcciones modernas que incorporaban características bien conocidas por la humanidad a lo largo de milenios.

Con el fin de que todos estos avances y redescubrimientos permearan en todo el mundo y para fomentar este tipo de tecnologías en países en desarrollo, la Organización de las Naciones Unidas, a través de la Organización de Estados Americanos lanzó en el año de 1976 el denominado proyecto HELIOS. Gracias a la visión que siempre caracterizó al Dr. José Ángel Manrique, es que se logró firmar el acuerdo en el que se atrajeron los fondos necesarios para comenzar la construcción de un edificio que comprobara la factibilidad y los beneficios que la arquitectura bioclimática podría traer a México. El Dr. Manrique, junto con su equipo de colaboradores, comenzó entonces con el diseño de esta casa vanguardista. Se comenzó con un estudio climatológico de las condiciones de la ciudad de Monterrey. Se revisaron los registros disponibles en esa época, en los cuales se disponía con información de temperaturas, vientos y precipitaciones que databan desde los años 30. Utilizando algoritmos y procedimientos desarrollados por institutos de investigación internacionales se calcularon y registraron los datos de radiación solar incidente en la región por primera vez. Se calcularon las orientaciones y áreas de acristalamiento óptimo y se hicieron cálculos de la absorción y disipación térmica de materiales tradicionales y se optimizó la construcción. El resultado fue una construcción con muros masivos de 30 cm los cuales permiten que la radiación incidente durante un caluroso día no alcance los espacios interiores en el periodo más caliente de la jornada. Las aperturas (en la envolvente principal de la edificación) fueron minimizadas en la orientación sur-oeste y fueron adoptados sistemas integrados en la arquitectura de la construcción para el correcto sombreado de las mismas. Gracias al análisis en túneles de viento y al empleo de una torre de viento, se logró también una configuración óptima que permitía garantizar una ventilación natural que hizo posible el prescindir de sistemas de climatización tradicionales.

La construcción de la Casa Solar se terminó en el año de 1980 y con el posterior monitoreo pudieron corroborarse los planteamientos iniciales del proyecto; la adopción de principios básicos de arquitectura solar pasiva pueden reducir las cargas térmicas en una edificación y proporcionar condiciones de bienestar y confort interior más que adecuadas. La labor del Dr. Manrique no cesó durante los años posteriores  y se continuó la investigación que permitió probar tecnologías solares que redundaron en beneficios académicos en la institución y en el fortalecimiento de programas de desarrollo social en zonas marginadas de México.

Fue en la Casa Solar que el Dr. Manrique trabajó en el perfeccionamiento de la primera patente de refrigeración solar en el Instituto y una de las primeras en el país, así como en el desarrollo de tecnologías de concentración solar que dieron origen a las primeras empresas mexicanas en este campo (Celsol, hoy Óptima Energía). Gracias  a las relaciones forjadas por el Dr. Manrique con institutos y organizaciones internacionales como la American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers, fue posible equipar a la Casa Solar con dispositivos de monitoreo y sistemas de refrigeración y ventilación mecánica los cuales siempre han estado a disposición de los estudiantes del Instituto para reforzar sus conocimientos en estas áreas. La Casa Solar fue punta de lanza y permitió crear alrededor de ella el que durante más de veinte años fue un centro de investigación autofinanciado y con una generación de conocimiento y prestigio institucional más que destacables.

En la actualidad el Centro de Energía Solar continua con la labor iniciada por el Dr. Manrique y la Casa Solar sigue siendo el espacio en donde los estudiantes, profesores e investigadores pueden seguir creando y participando en proyectos innovadores, impulsando el desarrollo de nuevas y mejores tecnologías limpias.











Concientización y Difusión del Conocimiento




Visitas guiadas a la Casa Solar por parte de la comunidad civil y académica de la zona (atención promedio mayor a 1,000 visitantes anuales).


Diseño de Sistemas Energéticos



Análisis, modelado y optimización del funcionamiento de cualquier elemento o dispositivo, de instalaciones térmicas, relacionado con aplicaciones industriales y comerciales.



Auditoría Energética de Edificaciones



Los servicios energéticos se configuran como una alternativa, cada vez más sólida, para el desarrollo de las instalaciones energéticas eficientes. Para llevar a cabo una auditoría energética es necesario conocer: el funcionamiento de los mercados energéticos, los equipos de medida necesarios para la realización de auditorías energéticas, aprender la metodología para realizar auditorías energéticas en edificios, analizar las potenciales medidas de ahorro energético y calcular ahorros energéticos y económicos a través de análisis de edificaciones considerando condiciones climáticas y aprovechando los recursos naturales disponibles (Sol, vegetación, lluvia, vientos…) para disminuir los impactos ambientales intentando reducir y aprovechar más eficientemente los consumos energéticos.

Investigación aplicada en Nanofluidos y Microfuidos








Son fluidos con Nanopartículas Suspendidas en concentraciones determinadas, las cuales a través de su mayor energía superficial son capaces, de mejorar sus propiedades físicas (eléctricas, térmicas, magnéticas, lubricantes…) originales del fluido: experimentalmente se han medido incrementos de hasta 50% en la conductividad térmica y reducciones de hasta el 30% de la fricción y el desgaste.
Esta línea de investigación a derivado en la incubación de la empresa de base tecnológica ELVIA Nanofluidos, la cual cuenta con un equipo de investigadores asociados especialistas en mecánica de fluidos, transferencia de calor, nanotecnología y nanofluidos para atender las necesidades de la industria química y metal-mecánica. Asimismo, los dispositivos Microfuídicos están formados por componentes miniaturizados (microbombas, microválvulas, microsensores…) que tienen aplicaciones en procesos bioquímicos y biomédicos. Se ha colaborado con el registro de la patente con número: MX/A/2012/012392.

Día Internacional de la Madre Tierra; Abril 22, 2013







En el marco del Día Internacional de la Madre Tierra, integrantes de la Casa Solar del ITESM fueron invitados a participar en el Sexto Festival Anual de la Tierra en Nuevo León (celebrado del 21 al 28 de Abril de 2013) impartiendo un taller, abierto a la comunidad en general, sobre cómo fabricar un Colector Termosolar casero a partir de materiales reciclados, buscando colaborar activamente con organizaciones civiles para la generación de consciencia común a los problemas de producción de contaminación y el uso eficiente de la energía, entre otras preocupaciones ambientales para proteger la Tierra.

La primera manifestación del Día Internacional de la Madre Tierra tuvo lugar el 22 de abril de 1970, y fue promovida por el senador y activista ambiental Gaylord Nelson para la creación de una agencia ambiental: en esta convocatoria participaron dos mil universidades, diez mil escuelas primarias y secundarias y centenares de comunidades. La presión social tuvo sus logros y el gobierno estadounidense creó la Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental) y una serie de leyes destinadas a la protección del medio ambiente.

Biorreactores para la producción de Microalgas y obtención de Bioproductos







La misión del proyecto es la de Desarrollar un Sistema Integral de Producción de Bioproductos de Microalgas en Fotobioreactores. Actualmente existe un gran Interés de las Industrias Europeas y Latinoamericanas en el Área que Desarrollamos. Las microalgas son consideras una fuente prometedora de nuevos Bioproductos: son una fuente más sustentable de ácidos grasos (omega 3) que el aceite de pescado y una fuente tan poderosa de antioxidantes como los carotenoides. Así mismo son una fuente natural rica en antioxidantes, los cuales las protegen de radicales libres generados durante la fotosíntesis.

Las microalgas son la única fuente de biocombustible no emisora de carbono (huella ecológica cero) que tiene el potencial de sustituir una parte significativa de nuestra demanda de combustible sin influenciar negativamente a la agricultura para la producción de alimento. El tratamiento de aguas residuales usando microalgas es más eficiente energéticamente que las tecnologías de tratamiento de aguas residuales que se utilizan en la actualidad. En lugar de remover nutrientes valiosos esta técnica permite que los nutrientes puedan ser reciclados a biomasa que puede ser usada como fuente de alimento para animales, energía o material de construcción para la industria química. Esto contribuye a un uso más eficiente de los recursos. De igual forma, al estimular nuevas aplicaciones para la industria biotecnológica generando productos que no pueden ser producidos mediante métodos convencionales, nuestra investigación contribuirá a extender y fortalecer el conocimiento de la bioeconomía. Este proyecto pretende colaborar cercanamente con las industrias europeas y latinoamericanas, compañías desarrolladoras de procesos, usuarios finales e instituciones de investigación líderes que reforzarán la excelencia científica y tecnológica, la importancia industrial y el potencial económico, social y ambiental de esta investigación.

Nuestro equipo de trabajo ha desarrollado una nueva generación de Fotobiorreactores Solares para la producción de microalgas. Resultados experimentales demuestran que la producción de biomasa puede aumentarse más de un 40% bajo condiciones de alta concentración de dióxido de carbono (respecto condiciones ambientales estándares). Asimismo, nuestra experiencia en la modelación y producción de microalgas a nivel laboratorio puede escalarse a sistemas de alta producción para el cultivo y extracción de ácidos grasos para la generación de Bioproductos. El principal reto técnico-económico consiste en maximizar y acoplar la producción de microalgas con los subprocesos para la generación de Bioproductos. Esta línea de investigación se trabaja colaborativamente entre la Cátedra de Energía Solar y Termociencias y el Centro del Agua para América Latina y el Caribe del ITESM. Se ha colaborado con el registro de la patente con número: MX/A/2012/009725, MX/A/2012/013047.

Laboratorio de Termofluidos


La complejidad del entorno, la velocidad y la magnitud de los cambios actuales obligan a realizar un análisis constante de las estrategias que nos permiten obtener el mejor aprovechamiento del abundante recurso energético en México
Para poder realizar lo anterior es preciso que los estudiantes del ITESM (de profesional y posgrado) conozcan y apliquen los conceptos de termodinámica, transferencia de calor y mecánica de fluidos para el desarrollo de productos, sistemas y equipo innovadores. En el área de termofluidos (refrigeradores, bombas, compresores, motores de combustión interna, turbinas, intercambiadores de calor…), se involucra a los estudiantes de Ingeniería Mecánica en proyectos de investigación con las industrias  donde se aplican los conocimientos adquiridos en la carrera y se desarrollan habilidades para su vida profesional. La Cátedra de Energía Solar y Termociencias, en conjunto con el Laboratorio de Termofluidos, ha colaborado procurando desarrollar y fortalecer el vínculo Académico-Industrial, por ejemplo, con empresas como: Prolec GE, Danfoss, Ternium, Cerrey, Nemak, Schneider Electric, Rotoplas, Vitro, Clúster Automotriz, Nutec, Cooper Industries, Inventive Power, Enerwork, FEMSA, Coppel, Grupo Cafica)

Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción

El ciclo de absorción es un proceso mediante el cual el efecto de enfriamiento es obtenido con la remoción de calor mediante la evaporación de un fluido refrigerante a baja presión. Ferdinand Carré inventó este ciclo de refrigeración en 1846 y Albert Einstein (patente US/1927/001781541) diseño el primer prototipo experimental en 1927. En 1997 el Dr. Manrique (patente US/1997/005666818) desarrolló un sistema de refrigeración solar por absorción de amoníaco y agua. En el 2008 el Dr. García (patentes MX/A/2008/011472 y PCT/MX/2009/000097) diseñó un sistema más eficiente del mismo método. El equipo del Dr. García sigue trabajando para:
1.    Encontrar el punto de costo y desempeño del equipo.
2. Optimizar el generador de refrigeración manejado por energía solar térmica.
3.    Aumentar la eficiencia del sistema de refrigeración solar.
4.    Reducir los costos de inversión.
5.    Hacer más competitiva esta tecnología a nivel comercial.

El objetivo del proyecto es desarrollar investigación y emprendimiento de base tecnológica social, través del desarrollo de un sistema de refrigeración solar por absorción que haga posible la utilización de forma eficiente y económica la energía solar para aplicaciones en aire acondicionado, refrigeración y calefacción de alta eficiencia y bajo costo para viviendas residenciales y aplicaciones comerciales.

Ventajas competitivas
  • Tecnología sustentable no contribuye al calentamiento global ni al deterioro de la capa de ozono.
  • Uso de refrigerantes ambientalmente amigables.
  • Consumo de energía eléctrica 2.5 menor respecto de la tecnología convencional,
  • Se genera aire acondicionado y calefacción a la vez.
  • Mayor tiempo de vida y menor costo de operación y mantenimiento que las tecnologías convencionales.
  • No hay competidores directos a nivel nacional.

Sistema de Concentración Solar Semi-Pasivo


( Basado en una Lente Fresnel y un Arreglo de Micro-Heliostatos )


Los concentradores solares son sistemas que focalizan la radiación proveniente del Sol para obtener altos niveles de energía y temperatura en un área reducida. Esto se logra al exponer al Sol una superficie reflejante o refractante que direcciona los rayos incidentes hacia un foco, ya sea un punto o una línea, según la aplicación. Para mantener el foco en posición, el concentrador debe seguir la trayectoria solar a lo largo del día y a través del año, lo que se dificulta al contar con una superficie de captación, un recibidor y una estructura de gran peso. Además, el sistema debe soportar las cargas del viento sin deformarse ni perder su orientación. Actualmente, un concentrador solar semi-pasivo se encuentra en desarrollo. Su objetivo es reducir el ajuste en la posición de la superficie captadora, en éste caso una lente Fresnel, a través de un arreglo de micro-heliostatos que siguen la trayectoria solar con mínimo movimiento y esfuerzo. Su configuración permite contar con un foco estacionario y una lente en posición horizontal para disminuir las cargas del viento. 
Hasta el momento, el concepto se ha validado a través de un prototipo de 0.8 m2 que permite alcanzar temperaturas por encima de los 1,400°C con una concentración de 670 soles en una latitud φ = 25º39'15''N. Además se cuenta con el registro de patente con número MX/A/2011/007913. Actualmente el concentrador solar se encuentra en su etapa de escalamiento a 9 m2 para ser instalado en la Casa Solar del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey para fines de almacenamiento térmico alcanzando una concentración de 1,000 soles.

Producción de Biocombustibles a partir de Microalgas

El proyecto “Producción de biocombustibles a partir de microalgas” forma parte del programa Células de Incubación derivándose un spin off, ALTESO. Algae Technology Solutions (ALTESO) es un proyecto de incubación de empresa de base tecnológica que surge con la necesidad de satisfacer las demandas bioenergéticas de la aviación, bioturbosina (o bioKPS). Este biocombustible puede ser mezclado con combustible fósil convencional comercial y militar. México ha puesto como meta sustituir el 1% de turbosina por bioturbosina para el 2015 y el 15% para el 2020, lo cual equivale a 40 millones y 700 millones de litros anuales respectivamente.
La bioturbosina o biokeroseno parafínico sintético (bioKPS) es un combustible que puede ser utilizado en motores de los aviones sin modificación alguna. Este biocombustible puede ser mezclado con combustible fósil convencional comercial hasta en un 50% (regulado a través de la norma ASTM D7566-11). El uso de microalgas para producción de bioturbosina no requiere uso de suelo fértil y no promueve los monocultivos como los biocombustibles de primera y segunda generación. Se ha colaborado con el registro de la patente con número: MX/A/2011/012572, MX/A/2011/008773.

Sistema de Refrigeración por Eyecto-Compresión con Eyector de Alta Eficiencia






La refrigeración por eyecto-compresión es una alternativa a los ciclos de absorción y adsorción que comúnmente son asociados con la refrigeración solar debido a que mediante esta misma fuente es posible generar el vapor motriz requerido por el eyector. El objetivo del proyecto es diseñar un eyector de alta eficiencia que maximice su transferencia de momentos y que implemente mecanismos de geometría variable controlados de manera automática para asegurar el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración híbrido de eyección-compresión mecánica. Hasta el momento se ha logrado la creación de la primera unidad de pruebas de refrigeración por eyecto-compresión en el ITESM Campus Monterrey.

Destilación de Bioetanol con Energía Solar

Diseñar un Sistema de Destilación cuya principal fuente de Energía sea la Energía Solar optimizando el Consumo Energético y Costos de Operación de todo el proceso. Este proyecto analizó la factibilidad técnica y económica de realizar una destilación de la mezcla etanol y agua, empleando energía solar como fuente primaria de energía. La solución de entrada al sistema, pobre en etanol, se obtiene de un proceso de fermentación realizado sobre producto no conforme de refresco y se espera obtener a la salida una mezcla rica en etanol, 95% wt. El equipo de investigación examinó el funcionamiento de los componentes más importantes del sistema de destilación solar (columnas de destilación, intercambiadores de calor, colectores solares térmicos), llevó a cabo su diseño considerando las condiciones de operación asumidas para el sistema y presentó un análisis económico que determina la viabilidad financiera del proyecto. Este trabajo se desarrolló en la Casa Solar de forma conjunta entre la Cátedra de Energía Solar y Termociencias y el Centro del Agua del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Se ha colaborado con el registro de la patente con número: MX/A/2012/012466.



Estanques Solares


Son Sistemas Colectores de Energía Solar de Gran Escala principalmente utilizados para Calentamiento y Desalinización de Agua. Este proyecto fue motivado por la escasez de agua potable en el mundo, situación que se ha convertido en uno de los problemas más importantes de la humanidad. La desalinización representa una vía de oportunidad para satisfacer la creciente demanda de agua dulce. Sin embargo, la desalinización térmica es un proceso intensivo en energía, por lo cual es importante utilizar una energía alterna como la solar (mediante estanques solares) en vez de energía producida por combustibles fósiles que resulta más costosa y emite gases de efecto invernadero a la atmósfera. El proyecto consistió en la construcción y operación de estanques solares a nivel laboratorio y a pequeña escala, para implementar técnicas de construcción de estanques solares y para evaluar la capacidad de estos dispositivos en regiones climatológicas como el noreste de México (Monterrey, Nuevo León), donde hay un desabasto de agua potable pero abundancia en recurso solar.

Sistemas Fotovoltaicos


El término “fotovoltaico” o FV se refiere a la tecnología para la conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Los proyectos desarrollados sobre este tema han servido para ahondar en la metodología del diseño sistemas FV aislados de la red eléctrica local (CFE) y conectados a dicha red. Se ha estudiado el proceso de fabricación de celdas FV. Se ha implementado físicamente el sistema de producción FV. Se han elaborado experimentos que permiten calcular los días de autonomía, de recuperación del sistema, así como el rendimiento de los dispositivos involucrados. Se han desarrollado análisis técnicos y económicos de la implementación de sistemas fotovoltaicos tanto aislados como con interconexión a la red eléctrica.

Análisis del Desempeño Térmico de Colectores Solares



Para evaluar la funcionalidad de cualquier colector solar se deben desarrollar una serie de pruebas realizadas de acuerdo a normas nacionales e internacionales. El banco de pruebas que se construyó sirve para colocar el colector solar con la inclinación y orientación correspondiente a cada una de las pruebas. Con este sistema de pruebas implementado, se puede dar el servicio de evaluación de estos dispositivos térmicos a los fabricantes de colectores solares y a las personas interesadas en verificar el desempeño de sus equipos.