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UNIVERSIDAD DE LA SERENA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPTO. DE INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO DE TESIS PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO Taller de Titulación

“DISEÑO DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA BATERÍAS DE AUTO SOLAR DE COMPETICIÓN CON Y SIN CAMBIO DE FASE”

Alumno Tesista Ricardo Hernán Araya Torres Profesor Patrocinante Ph. D. Nelson Moraga Benavides

La Serena, Julio del 2014

INDICE

1. RESUMEN......................................................................................................... 2 2. TRABAJO PROPUESTO........................................................................................ 3 2.1 Estado del Arte................................................................................................ 4 2.2 Marco teórico.................................................................................................. 5 2.3 Aporte a la ingeniería......................................................................................... 8 2.4 Beneficios esperados......................................................................................... 8 3. EXPOSICIÓN GENERAL DEL PROBLEMA..............................................................9 3.1 Descripción del problema presentado.....................................................................9 3.2 Historia del problema...................................................................................... 10 4. HIPÓTESIS....................................................................................................... 10 5. OBJETIVOS...................................................................................................... 10 5.1 Objetivos Generales........................................................................................ 10 5.2 Objetivos Específicos...................................................................................... 11 6. METODOLOGÍA DE TRABAJO............................................................................11 7. INFRAESTRUCTURA Y FINANCIAMIENTO..........................................................12 8. PLAN DE TRABAJO.......................................................................................... 13 9. HOJA DE FIRMAS............................................................................................. 13 10. REFERENCIAS................................................................................................ 14 11. ANEXO.......................................................................................................... 15

PROYECTO DE TESIS PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO 1. TÍTULO DEL PROYECTO TESIS: “DISEÑO DE SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA BATERÍAS DE AUTO SOLAR DE COMPETICIÓN CON Y SIN CAMBIO DE FASE” 2. ANTECEDENTES DEL ALUMNO: Nombre: Ricardo Hernán Araya Torres. Dirección: Tocopilla #515, Tierras Blancas, Coquimbo. Teléfono: +569-59380641 3. PROFESOR PATROCINANTE: Nelson O. Moraga Benavides (Ph.D., M.Sc., Ingeniero Civil Mecánico). Departamento de Ingeniería Mecánica (Profesor Titular de Jornada Completa).

1. RESUMEN En el año 2011 en Chile surge la primera carrera de autos solares de América Latina, en la cual se reúnen equipos provenientes de toda la región para recorrer en Desierto de Atacama, ese mismo año la Universidad de La Serena en conjunto con Minera Los Pelambres diseñan el auto solar IntiKallpa I el cual obtiene el primer lugar. Posteriormente el año 2012 surge la segunda versión construyendo y participando con nuevo modelo el IntiKallpa II en cual obtiene el primer lugar de la segunda versión del Atacama Solar Challenge y el segundo lugar en la World Solar Challenge disputa en Australia. Un aspecto importante en este vehículo es mantener una alta eficiencia térmica, para ello se requiere mantener las baterías del auto solar a la temperatura mínima posible tanto en el tiempo de recarga como en el de descarga durante la competición. Por lo cual el propósito de esta tesis es estudiar en detalle dos métodos alternativos de enfriamiento: a) Empleando enfriamiento por convección forzada de aire exterior, b) Empleando una sustancia de cambio de fase

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sólido-líquido que permita el enfriamiento deseado. Estas alternativas permiten evitar las pérdidas en la capacidad energética de las baterías y las excesivas temperaturas que son producidas por el funcionamiento de las mismas. Para ello se utilizarán los métodos numéricos en específico el método de los volúmenes finitos para describir la mecánica de los fluidos y la transferencia de calor propias de cada problema.

2. TRABAJO PROPUESTO El objetivo de este trabajo es describir la trasferencia de calor y la mecánica de fluidos en el habitáculo de las baterías utilizadas en el auto solar de competición Intikallpa (Fig. 1). El Departamento de Ingeniería Mecánica de La Universidad de La Serena, en conjunto con Minera los Pelambres, han desarrollado un auto de competición que obtuvo el primer lugar en el Atacama Solar Challenge en año 2012 y el segundo lugar en el World Solar Challenge disputado en Australia en el 2013. En particular el trabajo propuesto considera el diseño de un sistema de enfriamiento eficiente de las baterías que acumulan la energía solar que requiere el auto para su movimiento. El diseño incluye el estudio y análisis de dos sistemas de enfriamiento alternativos: uno utilizando el aire exterior, para enfriar las baterías por convección forzada turbulenta y el otro empleando materiales de cambio de fase (PCM). El trabajo propuesto consiste en: a) caracterizar la mecánica de fluidos en términos de la variación en el tiempo de la distribución de velocidad del aire de enfriamiento alrededor de las baterías, de las líneas de corriente del flujo de aire y de la presión; b) describir la transferencia de calor.

Figura 1: Sistema de Baterías del IntiKallpa 2. 2

2.1 Estado del Arte Debido a la creciente demanda en nuevas fuentes de energía confiable para vehículos eléctricos, las baterías de ion de Litio (Li-ion) han recibido mucha atención en la última década acompañada estas de una mayor densidad de potencia y eficiencia, baja tasa de autodescarga, vida útil más larga y la falta del efecto de memoria son características especiales lo que lo hace atractivo para los investigadores y fabricantes.

Libre de

problemas las baterías de litio ya están en uso para aplicaciones de baja demanda de potencia, tales como los paquetes de telefonía celular y baterías de ordenadores portátiles, sin embargo; para aplicaciones de alta potencia, como en las unidades de propulsión de automóviles, hay problemas serios que necesitan ser abordados. Para generar esta gran densidad de energía requerida para la propulsión, normalmente un número de unidades de baterías (módulos) necesitan ser montados en paralelo o en serie (o en combinación) en un banco de baterías para alcanzar las especificaciones de salida requeridos. En ausencia de un sistema de gestión térmica en el banco de baterías, se generan grandes gradientes de temperatura que se desarrollan en el interior de este debido a la resistencia interna y la generación interna de calor resultante de las reacciones electroquímicas dentro de las celdas individuales. El rendimiento de un vehículo eléctrico depende fuertemente de la batería. Las variaciones de temperatura en el interior del banco de baterías darán lugar a diferentes resistencias y voltajes internos de celda a celda los que pueden degradar el rendimiento de las baterías y acortar su ciclo de vida [1]. Con el fin de mantener la uniformidad de la temperatura y las distribuciones de tensión dentro del banco y con el fin de mantener el rendimiento de las baterías dentro de un rango aceptable y reduciendo también el costo de enfriamiento se utilizan sistemas de enfriamiento por convección forzada [2]. Es evidente que un menor costo de enfriamiento y un mejor rendimiento de la batería harán que los vehículos eléctricos una mejor competencia en comparación con los automóviles de combustión interna. Debido a restricciones inherentes y las condiciones de funcionamiento asociados con las mediciones experimentales, la modelización numérica es muy eficiente para el diseño y análisis de rendimiento de Sistema de Gestión Térmica de Baterías Efectivas (BTMS) bajo operaciones transitorios de las baterías. Algunos investigadores desarrollaron un modelo térmico electroquímico transitorio de dos dimensiones para la gestión térmica de pasiva de una batería de Li-ion en espiral. Se demostró que la gestión

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térmica pasiva a través de un material de cambio de fase (PCM) pudo disminuir la temperatura global de la celda a una velocidad de descarga de 5°C, si el espesor de PCM es lo suficientemente grande como para soportar todo el tiempo de descarga [5]. Sabbah et al. y Kizilel et al. compararon la eficacia de la refrigeración pasiva mediante materiales de cambio de fase con la de aire forzado activo para la gestión térmica de alta potencia de baterías de litio. Las simulaciones numéricas se realizaron a diferentes tasas de descarga, temperaturas de funcionamiento y temperaturas ambientales y se compararon con los resultados experimentales. Los resultados mostraron que a altas tasas de descarga y/o a altas temperaturas de operación o de ambiente, el enfriamiento de aire forzado no es un sistema de gestión térmica adecuada para mantener la temperatura de las celdas en el rango de operación deseable sin gastar una significativa alimentación en el ventilador [6-7]. AlHallaj et al. estudiaron el comportamiento térmico de celdas comerciales de geometría cilíndrica y primatica en donde se midieron la generación de calor de las celdas durante el consumo de descarga y carga [8]. 2.2 Marco teórico El estudio necesario para describir el enfriamiento del conjunto de baterías que requiere el auto solar exige caracterizar la mecánica de fluidos en el aire alrededor de ellas y la transferencia de calor en el aire y en las baterías. Las ecuaciones globales que rigen el problema en su formulación bidimensional son las siguientes: Ecuación de continuidad ∂u ∂v + =0 ∂x ∂ y

Ecuación de momento lineal en x

[

] [

∂ ρu ´ ∂ ρu ´ ∂ ρu ´ −∂ ´p ∂ ∂u ∂ ∂u +u +v = + μ+ μt ) + μ + μt ) ( ( ∂t ∂x ∂x ∂x ∂ x ∂x ∂ y ∂y

] 4

Ecuación de momento lineal en y

[

] [

∂ ρv ´ ∂ ρv ´ ∂ ρv ´ −∂ p´ ∂ ∂v ∂ ∂v +u +v = + ( μ+ μt ) ∂ x + ∂ y ( μ+ μt ) ∂ y ∂t ∂x ∂x ∂ y ∂x

]

Ecuación de la energía

[( ) ] [( ) ]

´ ´ ´ μ ∂T μ ∂u ∂ ρT ∂ ρT ∂ ρT ∂ ∂ +u +v = kt+ t + kt+ t ∂t ∂x ∂ y ∂x σt ∂ x ∂ y σt ∂ y

Ecuación energía cinética turbulenta ´ ´ ´ ∂ ρk ∂ ρuk ∂ ρuk ∂ +u +v = ∂t ∂x ∂y ∂x

[( ) ] [ ( ) ] μ+ μt ∂u ∂ + σk ∂ x ∂ y

μ+ μt ∂u +G−´ρ ε σk ∂ y

Ecuación energía cinética turbulenta ∂ ρε ´ ∂ ρε ´ ∂ ρε ´ ∂ +u +v = ∂t ∂x ∂ y ∂x

[( ) ] [( ) ]

La viscosidad turbulenta

μ+ μt ∂ ε ∂ + σε ∂ x ∂ y

μt

μ+ μ t ∂ ε ε ε2 +G C1 −C 2 ´ρ σε ∂ y k k

se obtiene a partir de los términos de energía cinética

turbulenta ( k ) y de la velocidad de disipación de energía cinética turbulenta ( ε ) G

(Relación de Prandtl-Kolmogorov). El término

representa la velocidad de producción

de energía cinética turbulenta (N/m²s) por la acción del tensor de gradiente de velocidad de flujo promedio versus los esfuerzos turbulentos. μt =ρC u

k2 ε

G=( μ+ μ t )

[( ) ( ) ( ) ] ( ∂u 2 ∂ v 2 ∂ w + + ∂x ∂y ∂z

2

+

∂u ∂ v 2 ∂u ∂ w 2 ∂ w ∂ v + + + + + ∂x ∂ y ∂x ∂ z ∂z ∂ y

)(

)(

2

)

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La disipación de esta energía cinética turbulenta y los valores de los parámetros del modelo matemático se calcula a partir de: ´ρ ε= ρC D

3 2

k L

En el material de cambio de fase, la Ecuación de la energía incorpora la energía absorbida o liberada durante el cambio de fase de líquido a solido mediante la fracción liquida de cambio de fase (Fpc). En este modelo se considera que Fpc varia linealmente con la temperatura y la ecuación de la energía queda de la forma:

[

ρ Cp+ LPC

∂ f PC ∂T

][

] [

2

2

∂T ∂T ∂T ∂ T ∂T +u +v =k + ∂t ∂x ∂y ∂ x2 ∂ y2

]

Fracción de cambio de fase, variable linealmente con la temperatura empleado por el programa propio:

{

0 →T ≤ T S T −T S f pc= →T S ≤ T ≤T L T L−T S 1 →T >T L

Alternativamente se propone utilizar el Modelo de Carman-Kozeny implementado en el programa FLUENT. En este caso la ecuación de Energía se expresa en términos de la entalpia: ∂ ( ρH ) +∇ ∙ ( ρ ⃗v H )=∇ ∙ ( k ∆ T ) + S ∂t donde H=h+ ∆ H

(Entalpia del PCM)

y

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T

h=href + ∫ CpdT T ref

La variación de entalpia durante el cambio de fase ∆ H

se calcula en términos de la

entalpia de cambio de fase del material , L : ∆ H= βL Donde la fracción liquida, β , definida como

{

0 →T