El simulador solar de la Universidad de São Paulo ya está en funcionamiento y podrá ser usado para producir combustibles limpios

Producido en la Escuela Politécnica (Poli-USP), el equipo genera radiación térmica similar a la del Sol y permite realizar pruebas de dispositivos y tecnologías en laboratorio, sin depender de condiciones climáticas ideales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El simulador solar indoor es un equipo diseñado para simular artificialmente la radiación solar en ambientes controlados. Se utiliza para probar dispositivos y tecnologías que emplean la radiación solar, como reactores termoquímicos, producción de vapor, aceites térmicos, entre otros. Lámparas de xenón de alta intensidad emiten la luz, que es reflejada y concentrada por espejos parabólicos, generando un haz termoluminoso similar al del Sol. De esta manera, es posible realizar pruebas sin depender de condiciones climáticas externas ideales, como un cielo despejado.

Investigadores de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), en Brasil, desarrollaron y probaron un nuevo simulador solar indoor de alto flujo, diseñado para optimizar procesos térmicos de alta temperatura y mejorar tecnologías de energía solar concentrada. El trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Sistemas Energéticos Alternativos y Renovables (Sisea). Y el simulador ya está operativo, pudiendo ser utilizado en diversas aplicaciones, como reacciones termoquímicas para la producción de hidrógeno y gas de síntesis (mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, con alto valor energético); investigación de catalizadores para optimizar reacciones químicas; fundición de metales y otros materiales que requieren altas temperaturas; pruebas en hornos solares para procesos industriales, entre otros.

“Nuestro simulador utiliza ocho lámparas de arco de xenón de alta temperatura. La luz emitida es reflejada por un conjunto de espejos parabólicos, que generan haces de radiación colimados, es decir, con rayos paralelos. Estos haces inciden en un segundo conjunto de espejos parabólicos, para ser concentrados en un punto focal común, permitiendo simular condiciones solares intensas dentro del laboratorio. El objetivo principal de crear este ‘sol artificial’ es posibilitar experimentos controlados en ambientes cerrados, superando la dependencia de la radiación solar natural, que siempre está sujeta al ciclo diurno y a las variaciones climáticas”, explica el investigador José Roberto Simões Moreira, profesor titular de la Poli-USP, coordinador del Sisea y principal responsable del trabajo en cuestión.

La radiación termoluminosa es generada por ocho lámparas de arco de xenón de alta temperatura. Luego, colimada y concentrada por espejos parabólicos,
la radiación final es absorbida en una cavidad negra (ubicada en el foco común) (foto: José Roberto Simões Moreira)

El trabajo recibió apoyo de la FAPESP a través del proyecto “Producción de combustibles solares a partir de energía solar concentrada”. Una primera presentación de los resultados fue publicada en un artículo en la revista Applied Thermal Engineering.

Las reacciones ocurren en un reactor termoquímico basado en el concepto de “cavidad negra”, instalado en el foco común de los espejos reflectores, en el cual se absorbe la radiación concentrada, pudiendo alcanzar temperaturas superiores a los 2.000 °C. Estas condiciones son ideales para realizar reacciones químicas específicas, como la producción de gas hidrógeno mediante un proceso de óxido-reducción de metales. En ese caso, el proceso ocurre en dos etapas: en la primera, un metal se oxida en presencia de vapor de agua, liberando gas hidrógeno; en la segunda, el metal oxidado se reduce para su reutilización, cerrando el ciclo. Alternativamente, el equipo también permite producir el gas de síntesis, mediante la reacción del metano (CH₄) con vapor de agua (H₂O), generando monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂), un proceso ampliamente utilizado en la industria. También pueden realizarse otras reacciones, utilizando como materia prima la biomasa, por ejemplo.

Simões señala que el principal diferencial del nuevo simulador de la Poli-USP en relación con otros equipos del mismo tipo es el uso de espejos parabólicos secundarios. “Estos reflejan los rayos colimados hacia el foco del espejo parabólico maestro, permitiendo condiciones más realistas para las pruebas de laboratorio y posibles aplicaciones en ambientes externos, al contrario de lo que ocurre con los reflectores elipsoidales tradicionales”, afirma.

Medidas especiales de seguridad fueron adoptadas para garantizar la integridad de los operadores. Para evitar riesgos de explosión de las lámparas, una placa asociada a un sistema de enfriamiento mantiene la temperatura del sistema dentro de un rango seguro. Además, cada lámpara está protegida por una ventana de vidrio frontal que bloquea la exposición accidental a emisiones ultravioletas y, en caso de explosión, impide que los fragmentos salgan despedidos. Un sistema de bloqueo permite encender y apagar las fuentes de luz desde fuera de la sala de pruebas. Y cada lámpara se controla de forma individual, permitiendo ajustar la cantidad de irradiación sobre el objetivo según sea necesario. Adicionalmente, todo el conjunto está instalado en una sala equipada con un sistema de enclavamiento, de modo que, si alguien ingresa durante la operación, todo el conjunto de lámparas es apagado. Esto se debe a que la exposición a la radiación térmica concentrada de las lámparas puede ser fatal, especialmente en las proximidades del foco principal.

Conjunto de espejos parabólicos que colima y concentra los rayos termoluminosos (foto: José Roberto Simões Moreira)

El estudio utilizó técnicas computacionales (método de Monte Carlo) para rastrear los rayos, simular el trayecto óptico de la luz y cuantificar la eficiencia del sistema. Las mediciones experimentales se realizaron con un espectrofotómetro y un sensor de flujo de calor para determinar la potencia térmica concentrada y mapear su distribución.

“El simulador ya está en funcionamiento y el próximo paso es hacer viables las reacciones termoquímicas dentro de la cavidad negra. Para ello, nuestro grupo se está enfocando en la investigación de catalizadores. Además, estamos estudiando la adaptación de la tecnología para aplicaciones externas, utilizando directamente la radiación solar en lugar de lámparas. Existe un gran potencial de aplicaciones en la industria y en la producción de combustibles limpios, vapor de agua y ciclos térmicos de potencia”, subraya Simões.

El artículo Novel high-flux indoor solar simulator for high temperature thermal processes está disponible en: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359431123012176.