Energía Solar Concentrada: Indagan mejores formas de generar energía limpia a través de ella
Para entender que es la energía solar concentrada te haremos una simple pregunta: ¿Alguna vez usaste una lupa para enfocar la luz del sol en tu mano?
Aumente ese calor un millón de veces y comprenderá el concepto de una planta de energía solar térmica.
Un campo de espejos gigante, que concentra la luz solar en una cámara de metal negro llena de agua, aire u otros fluidos que transportan calor.
La energía solar concentrada es absorbida por las paredes de la cámara y luego conducida a través del fluido, lo que lo hace extremadamente caliente.
Este concepto puede servir para muchos propósitos, incluso servir como reactores en plantas químicas o convertir la luz solar en electricidad en plantas de energía gigantes.
Hasta ahora, sin embargo, la producción de energía de las plantas termosolares ha sido decepcionante.
Culpe al efecto del hervidor de té: cuando se hace agua para el té, la región más cálida es donde las llamas se encuentran con las paredes exteriores del hervidor.
Compartimos contigo nuestro episodio de podcast sobre el articulo
Pero lo que funciona lo suficientemente bien en la cocina es un problema en aplicaciones a gran escala como las plantas termosolares, ya que aproximadamente la mitad de la energía solar se pierde en el ambiente en lugar de convertirse en energía utilizable.
Simulaciones de Energía Solar Concentrada
Ali Mani, profesor asistente de ingeniería mecánica en Stanford , está haciendo simulaciones por computadora para probar cuál podría ser una forma más eficiente de usar la energía solar concentrada como fuente de calor .
En lugar de enfocar la luz solar en una cámara negra, su laboratorio simula lo que sucedería si la luz concentrada se emitiera a una cámara transparente, o tetera, para continuar con la analogía.
En teoría, los fotones de luz que pasan a través de la cámara transparente colisionarían con las moléculas de fluido que se encuentran en el interior, calentando el fluido desde dentro con una pérdida de energía significativamente menor.
Este diseño transparente, introducido hace años por investigadores del Departamento de Energía de EE. UU., Plantea sus propios desafíos para mejorar la producción de energía solar concentrada
Debido a que el fluido de trabajo, en este caso el aire, es a menudo tan transparente como el exterior de la cámara, muchos fotones atraviesan el sistema sin una colisión de intercambio de calor.
Para aumentar el potencial de encuentros cercanos de tipo térmico, Mani y su equipo han modelado diferentes enfoques para hacer que el aire sea turbio y absorba más el calor.
En sus modelos de computadora, prueban varias estrategias para dispersar pequeñas partículas sólidas a través de la cámara para proporcionar puntos de absorción dentro de la columna de aire.
En efecto, están rompiendo las viejas paredes negras de la cámara en millones de pedazos pequeños y colocándolos junto a las moléculas de aire donde se pretende realmente la transferencia de calor.
Estas diminutas partículas son difíciles de controlar. Piense en el polvo iluminado por un rayo de luz solar que gira en patrones aparentemente impredecibles.
En el campo de la mecánica de fluidos de Mani, este movimiento caótico se llama turbulencia.
Su equipo está creando modelos de computadora para manipular un día la turbulencia dentro de la cámara de calentamiento para hacer que el sistema general sea más eficiente en la extracción de calor.
Modelando Millones de Partículas
En un sistema perfecto, el aire se movería rápidamente a través de la cámara transparente.
Las partículas sólidas aspiradas en el flujo de aire se distribuirían de manera uniforme, creando el potencial de calentar toda la columna de aire con poca o ninguna pérdida de energía.
Pero en pruebas experimentales y simulaciones de laboratorio realizadas hasta ahora, las partículas no se dispersaron uniformemente, ni el aire se calentó uniformemente.
Los modelos de computadora están ayudando a los investigadores a entender por qué.
A medida que el aire lleno de partículas fluye a través de la cámara, las partículas tienden a agruparse, formando dedos oscuros y ondulantes de aire más caliente que serpentean a través de la cámara.
En contraste, los fotones atraviesan el aire más claro y libre de partículas, dejando esas regiones más frescas.
Algunas zonas son demasiado calientes, otras son demasiado frías y, en general, gran parte de la energía luminosa no se absorbe o se irradia de nuevo por las zonas calientes. “Es casi como si estuviéramos en la plaza uno”, dice Mani.
Para comprender y contrarrestar este efecto de agrupamiento de partículas, Mani y su equipo han combinado tres ecuaciones complejas que describen el flujo de fluidos, los movimientos de partículas y la transferencia de calor en un modelo computacional descomunal.
La simulación les permite investigar qué tan rápido fluye el aire a través de la cámara.
Pueden simular la introducción de partículas de diferentes tamaños en el flujo. Y pueden observar lo que sucede cuando los grupos de partículas calientan el aire circundante a diferentes velocidades.
Las simulaciones con esta cantidad de variables se topan con los límites del conocimiento computacional.
“Para cada punto en el espacio y cada instancia en el tiempo, necesitas saber qué está pasando”, dice Mani.
Hasta ahora, el equipo de Mani solo ha modelado sistemas pequeños, pero las simulaciones ya apuntan hacia soluciones.
Por ejemplo, los investigadores han simulado unir el aire con partículas de diferentes tamaños. Al igual que las aves de una bandada de plumas, las partículas del mismo tamaño tienden a agruparse.
Los modelos también sugieren que sembrar la cámara con partículas de diversos tamaños podría ser una forma de utilizar la turbulencia para mejorar la extracción de calor en general.
Con estas y otras soluciones, los investigadores esperan obligar a las partículas a mezclarse más uniformemente, lo que ayuda a lograr el objetivo de calentar uniformemente la columna de aire con una pérdida de energía mínima.
En los próximos años, el equipo de Mani y sus colegas realizarán una simulación a gran escala con miles de millones de partículas en una supercomputadora del Departamento de Energía.
“Es como un elefante en una habitación oscura iluminada pieza por pieza”, dice Mani. “Al final del día, descubres las cosas más importantes y luego ya no es tan complicado”.
Se continuara estudiando y haciendo simulaciones para mejorar los métodos de generar energía limpia a través de la energía solar concentrada.
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