En este trabajo de tesis, se llevó a cabo un exhaustivo análisis multi-dimensional de un conjunto de concentradores solares de canal parabólico, integrando métodos pasivos de transferencia de calor, con el propósito de generar calor de proceso para aplicaciones industriales en México. El estudio abarcó cuatro tipos de climas representativos del país: árido, seco, tropical y templado, dividiéndose en tres fases, cada una revelando resultados y hallazgos significativos. La primera fase se centró en un estudio comparativo de cuatro categorías de métodos pasivos: nanofluidos, insertos, recubrimiento selectivo y modificación de la geometría del receptor. Se propusieron diversos tipos en cada categoría, evaluándolos en un concentrador de canal parabólico convencional. La eficiencia térmica fue el indicador clave para discernir los mejores tipos en cada categoría. En la segunda fase, se propusieron ocho escenarios que combinaban los métodos pasivos más eficientes de la fase 1. Se llevaron a cabo análisis energéticos, exergéticos, ambientales y económicos (4E) para evaluar diferentes variables en condiciones climáticas diversas. La tercera fase complementó los resultados mediante la creación de una base de datos con diferentes números de colectores, escenarios y tipos de climas. Se generó un modelo gemelo digital utilizando seis algoritmos de regresión, seguido de un análisis de sensibilidad global y optimización multiobjetivo.
Los resultados obtenidos indicaron que, en la primera fase, se realizaron selecciones críticas de métodos pasivos. El nanofluido CuO/H2O emergió como el más eficiente, mostrando un notable aumento del 0.0567% en la eficiencia en comparación con el caso convencional. De igual manera, las cintas retorcidas como insertos exhibieron la mayor mejora con un destacado 0.1573%. En términos de recubrimiento selectivo, el tipo Solel UVAC sobresalió con un valor de 6.50%, marcando el rendimiento más alto en las cuatro categorías. Asimismo, en la modificación de la geometría del receptor, el tubo con diámetro variable indicó el valor óptimo, alcanzando un 0.2049%. Estos resultados sirvieron como base para la propuesta de ocho escenarios distintos, considerando combinaciones de los métodos pasivos analizados.
Respecto a la segunda fase, el escenario caracterizado por la integración de nanofluidos, geometría variable, recubrimiento selectivo y cintas retorcidas, destacó en el análisis energético, exergético y ambiental. Sin embargo, para el análisis económico el escenario caracterizado por la integración de la geometría variable, recubrimiento selectivo y cintas retorcidas fue el mejor. De los cuatro climas evaluados, el templado fue el óptimo ya que se lograron temperaturas de 88.50 °C, con un calor útil de 81.85 kW y una eficiencia térmica del 24.84%. Además, se demostró que este escenario fue el más adecuado para satisfacer las exigencias del proceso industrial en todas las condiciones climáticas, logrando valores anuales de energía significativos.
La tercera y última fase involucró la implementación de seis algoritmos de regresión y diversas técnicas de optimización multiobjetivo. El algoritmo de procesos gaussianos destacó como el predictor óptimo, exhibiendo una precisión destacada en la predicción de la energía del campo solar térmico. Los análisis de sensibilidad resaltaron la importancia del número de concentradores solares en la generación de energía solar térmica, con una influencia significativa de 76.7%. Asimismo, la cantidad de concentradores solares y el tipo de escenario tuvieron impactos notables en el índice de sustentabilidad, el tiempo de retorno de gases de efecto invernadero y el costo nivelado de calor.
Finalmente, la metodología presentada en este trabajo de tesis proporciona una herramienta versátil para diversas aplicaciones industriales, trascendiendo las fronteras climáticas mexicanas. Los resultados obtenidos abren nuevas perspectivas para futuras investigaciones y pretenden ser no solo una contribución significativa al entendimiento actual de los sistemas solares térmicos, sino también un continuo esfuerzo de investigación, destacando la evolución y optimización constante de soluciones energéticas sostenibles, ampliando así la viabilidad y sostenibilidad de enfoques industriales más ecológicos.