La torre de corriente ascendente solar (SUT) es un concepto de diseño para una planta de energía renovable para generar electricidad a partir del calor solar de baja temperatura. La luz del sol calienta el aire debajo de una estructura colectora techada muy ancha similar a un invernadero que rodea la base central de una torre de chimenea muy alta . La convección resultante provoca una corriente ascendente de aire caliente en la torre por efecto chimenea . Este flujo de aire impulsa las turbinas de viento , colocadas en la corriente ascendente de la chimenea o alrededor de la base de la chimenea, para producir electricidad .
A mediados de 2018, aunque se han construido varios modelos prototipo, no hay unidades prácticas a gran escala en funcionamiento. Se planean versiones ampliadas de modelos de demostración para generar energía significativa. También pueden permitir el desarrollo de otras aplicaciones, como la agricultura u horticultura, la extracción o destilación de agua o la mejora de la contaminación del aire urbano.
La inversión comercial puede haber sido desalentada por el alto costo inicial de construir una estructura novedosa muy grande, la gran superficie de tierra requerida y por el riesgo de la inversión. [ investigación original? ] Algunos prototipos recientemente [ ¿cuándo? ] se ha construido y se proponen proyectos para partes de África, Estados Unidos y Australia.
En 2014, National Geographic publicó una actualización popular, incluida una entrevista con un defensor de la ingeniería informado. Una planta de energía solar de torre de corriente ascendente puede generar electricidad a partir del gradiente de calor atmosférico a baja temperatura entre el nivel del suelo o de la superficie y la altitud estructuralmente alcanzable. La viabilidad funcional o mecánica es ahora un problema menor que la capitalización. [1]
Se encuentra disponible una revisión completa de los aspectos teóricos y experimentales del desarrollo de la planta de energía de torre de corriente ascendente solar (SUTPP), recomendando el desarrollo comercial. [2]
Diseño
La potencia de salida depende principalmente de dos factores: el área del colector y la altura de la chimenea. Un área más grande recoge y calienta un mayor volumen de aire para que fluya hacia arriba por la chimenea; Se han discutido áreas de colectores de hasta 7 kilómetros (4,3 millas) de diámetro. Una mayor altura de la chimenea aumenta la diferencia de presión a través del efecto chimenea ; Se han discutido chimeneas de hasta 1000 metros (3281 pies). [3]
El calor se almacena dentro del área del colector, lo que permite que los SUT funcionen las 24 horas del día. El suelo debajo del colector solar, el agua en bolsas o tubos, o un disipador térmico de agua salada en el colector podrían agregar capacidad térmica e inercia al colector. La humedad de la corriente ascendente y la condensación en la chimenea podrían aumentar el flujo de energía del sistema. [4] [5]
Las turbinas con un eje horizontal se pueden instalar en un anillo alrededor de la base de la torre, como se planeó una vez para un proyecto australiano y se ve en el diagrama de arriba; o, como en el prototipo en España, se puede instalar una turbina de un solo eje vertical en el interior de la chimenea.
Se produce una cantidad casi insignificante de dióxido de carbono como parte de las operaciones, mientras que la fabricación de materiales de construcción puede generar emisiones. [6] Se estima que la recuperación neta de energía es de 2 a 3 años. [5]
Dado que los colectores solares ocupan una cantidad significativa de tierra, lo más probable es que haya desiertos y otros sitios de bajo valor. Las mejoras en la eficiencia de la recolección de calor solar mediante el uso de un colector transpirado no vidriado pueden reducir significativamente el terreno requerido para la matriz solar.
Una torre de corriente ascendente solar a pequeña escala puede ser una opción atractiva para las regiones remotas de los países en desarrollo. [7] [8] El enfoque de tecnología relativamente baja podría permitir que los recursos y la mano de obra locales se utilicen para la construcción y el mantenimiento.
La ubicación de una torre en latitudes altas podría producir hasta el 85 por ciento de la producción de una planta similar ubicada más cerca del ecuador, si el área de recolección está inclinada significativamente hacia el ecuador. El campo colector inclinado, que también funciona como chimenea, está construido en las laderas adecuadas, con una pequeña chimenea vertical en la cima de la montaña para acomodar la turbina de aire de eje vertical. Los resultados mostraron que las centrales eléctricas de chimenea solar en latitudes elevadas pueden tener un rendimiento térmico satisfactorio. [9]
Historia
Una turbina de chimenea fue imaginada como un gato de humo , e ilustrada hace 500 años por Leonardo da Vinci . Un animal escupido sobre un fuego o en un horno podría girarse mediante una turbina de eje vertical con cuatro álabes en ángulo en la corriente ascendente de la chimenea.
En 1896, el Sr. Alfred Rosling Bennett publicó la primera patente que describe un "Molino de convección". [10] Incluso si en el título de la Patente y en las reivindicaciones aparece claramente la palabra "Juguete" e incluso si en la descripción general hecha dentro de la Patente es evidente que la idea era producir pequeños dispositivos, en la página 3 en las líneas 49-54 Bennett prevé dispositivos mucho más grandes para aplicaciones de mayor escala. Un modelo de este "molino de convección", construido en 1919 por Albert H. Holmes & Son (Londres) para demostrar el fenómeno de las corrientes de convección, se exhibe en el Museo de Ciencias de Londres .
En 1903, Isidoro Cabanyes, coronel del ejército español, propuso en la revista La energía eléctrica una central de chimenea solar . [11] Otra descripción temprana fue publicada en 1931 por el autor alemán Hanns Günther . [12] A partir de 1975, Robert E. Lucier solicitó patentes sobre un generador de energía eléctrica de chimenea solar; entre 1978 y 1981 se concedieron patentes (desde que expiraron) en Australia, [13] Canadá, [14] Israel, [15] y los Estados Unidos. [dieciséis]
En 1926, el profesor ingeniero Bernard Dubos propuso a la Academia de Ciencias de Francia la construcción de una planta de energía solar aeroeléctrica en el norte de África con su chimenea solar en la ladera de una gran montaña. [17] Una torre de corriente ascendente en la ladera de una montaña también puede funcionar como un invernadero vertical. [ cita requerida ]
En 1982, se construyó un modelo experimental a pequeña escala de una torre de tiro solar [18] en Manzanares, Ciudad Real , 150 km al sur de Madrid , España a 39 ° 02′34.45 ″ N 3 ° 15′12.21 ″ W / 39.0429028 ° N 3.2533917 ° W. La planta de energía funcionó durante aproximadamente ocho años. De la torre Guy-cables no estaban protegidos contra la corrosión y fracasaron debido a la oxidación y vientos de tormenta. La torre voló y fue desmantelada en 1989. [19]
Se utilizaron materiales económicos para evaluar su desempeño. La torre solar se construyó con placas de hierro de solo 1,25 milímetros (0,049 pulgadas) de espesor bajo la dirección de un ingeniero alemán, Jörg Schlaich . El proyecto fue financiado por el gobierno alemán. [20] [21]
La chimenea tenía una altura de 195 metros (640 pies) y un diámetro de 10 metros (33 pies) con un área de recolección (invernadero) de 46 hectáreas (110 acres) y un diámetro de 244 metros (801 pies), obteniendo un máximo potencia de salida de unos 50 kW . Se utilizaron varios materiales para las pruebas, como vidrios simples o dobles o plástico (que resultó no ser lo suficientemente duradero). Una sección se utilizó como invernadero real. Durante su funcionamiento, se recopilaron 180 sensores que midieron la temperatura interior y exterior, la humedad y los datos de velocidad del viento segundo a segundo. [22] Esta configuración experimental no vendió energía.
En diciembre de 2010, una torre en Jinshawan en Mongolia Interior , China comenzó a operar, produciendo 200 kilovatios . [23] [24] El proyecto de 1380 millones de RMB ( 208 millones de USD ) se inició en mayo de 2009. Se pretendía cubrir 277 hectáreas (680 acres) y producir 27,5 MW para 2013, pero tuvo que reducirse. Se esperaba que la planta de la chimenea solar mejorara el clima al cubrir la arena suelta, conteniendo las tormentas de arena. [25] Los críticos han dicho que la torre de 50 m de altura es demasiado corta para funcionar correctamente y que fue un error usar vidrio en marcos de metal para el colector, ya que muchos de ellos se agrietaron y se rompieron por el calor. [26]
Una propuesta para construir una torre solar de corriente ascendente en Fuente el Fresno , Ciudad Real , España, denominada Ciudad Real Torre Solar sería la primera de su tipo en la Unión Europea [27] y tendría una altura de 750 metros (2.460 pies), [28 ] cubriendo un área de 350 hectáreas (860 acres). [29] Se espera que produzca 40 MW . [30] A esa altura, sería casi el doble de alto que el Belmont TV Mast , que alguna vez fue la estructura más alta de la Unión Europea, antes de acortarse en 24 metros. [31]
En 2001, EnviroMission [32] propuso construir una planta generadora de energía de torre de corriente ascendente solar conocida como Solar Tower Buronga cerca de Buronga, Nueva Gales del Sur . [33] La empresa no completó el proyecto. Tienen planes para una planta similar en Arizona, [34] y más recientemente (diciembre de 2013) en Texas, [35] pero no hay señales de "romper la tierra" en ninguna de las propuestas de Enviromission.
En diciembre de 2011, se informó que Hyperion Energy, controlada por los australianos occidentales Tony Sage y Dallas Dempster , planeaba construir una torre de corriente ascendente solar de 1 km de altura cerca de Meekatharra para suministrar energía a los proyectos mineros del Medio Oeste. [36]
Sobre la base de la necesidad de planes para estrategias energéticas a largo plazo, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Botswana diseñó y construyó una torre de investigación a pequeña escala. Este experimento se llevó a cabo del 7 de octubre al 22 de noviembre de 2005. Tenía un diámetro interior de 2 metros (6,6 pies) y una altura de 22 metros (72 pies), fabricado con poliéster reforzado con vidrio, con un área de aproximadamente 160 metros cuadrados ( 1,700 pies cuadrados). El techo estaba hecho de un vidrio transparente de 5 mm de espesor sostenido por un marco de acero. [37]
A mediados de 2008, el gobierno de Namibia aprobó una propuesta para la construcción de una chimenea solar de 400 MW llamada 'Greentower'. Está previsto que la torre tenga 1,5 kilómetros (4900 pies) de altura y 280 metros (920 pies) de diámetro, y la base consistirá en un invernadero de 37 kilómetros cuadrados (14 millas cuadradas) en el que se pueden cultivar cultivos comerciales. [38]
Se construyó un modelo de torre de corriente ascendente solar en Turquía como un proyecto de ingeniería civil. [39] La funcionalidad y los resultados son oscuros. [40] [41]
Una segunda torre de corriente ascendente solar que utiliza un colector transpirado está operando en la Universidad de Trakya en Edirne Turquía y se está utilizando para probar varias innovaciones en los diseños de SUT, incluida la capacidad de recuperar calor de matrices fotovoltaicas (PV). [ cita requerida ]
En 2012, se construyó y estudió la demostración de SUT de bricolaje en casa de un alumno de primaria para una feria de ciencias de la escuela, en un entorno suburbano de Connecticut. [42] [43] Con una pila de 7 metros y un colector de 100 metros cuadrados, esto generó un promedio diario de 6.34 mW, a partir de un ventilador de computadora como una turbina. La insolación y el viento fueron los principales factores de variación (rango de 0,12 a 21,78 mW) en la producción.
En Xian , China central, una chimenea urbana de 60 metros con colector circundante ha reducido significativamente la contaminación del aire urbano. Este proyecto de demostración fue dirigido por Cao Junji, químico del Laboratorio Clave de Química y Física de Aerosoles de la Academia China de Ciencias. [44]
Eficiencia
La torre de corriente ascendente solar tradicional tiene una tasa de conversión de energía considerablemente más baja que muchos otros diseños en el grupo de colectores solares térmicos (de alta temperatura) . La baja tasa de conversión se compensa en cierta medida con el menor costo por metro cuadrado de captación solar. [19] [45] [46]
Los cálculos del modelo estiman que una planta de 100 MW requeriría una torre de 1000 my un invernadero de 20 kilómetros cuadrados (7,7 millas cuadradas). Una torre de 200 MW con la misma torre requeriría un colector de 7 kilómetros de diámetro (área total de unos 38 km 2 ). [5] Una central eléctrica de 200MW proporcionará suficiente electricidad para alrededor de 200.000 hogares típicos y evitará que más de 900.000 toneladas de gases de efecto invernadero ingresen al medio ambiente anualmente. Se espera que el área del colector acristalado extraiga alrededor del 0,5 por ciento, o 5 W / m 2 de 1 kW / m 2 , de la energía solar que cae sobre él. Si se utiliza un colector solar transpirado en lugar del colector acristalado, la eficiencia se duplica. Son posibles mejoras de eficiencia adicionales modificando el diseño de la turbina y la chimenea para aumentar la velocidad del aire utilizando una configuración venturi. Las plantas de energía solar de concentración térmica (CSP) o fotovoltaica (CPV) varían entre el 20% y el 31,25% de eficiencia ( plato Stirling ). La eficiencia general de CSP / CPV se reduce porque los recolectores no cubren todo el espacio. Sin más pruebas, la precisión de estos cálculos es incierta. [47] La mayoría de las proyecciones de eficiencia, costos y rendimientos se calculan teóricamente, en lugar de derivarse empíricamente de demostraciones, y se comparan con otras tecnologías de captación o transducción de calor solar. [48]
Zandian y Ashjaee [49] introdujeron por primera vez en 2013 un concepto innovador que combinaba una torre de enfriamiento seco de una planta de energía térmica con una chimenea solar para aumentar la eficiencia de las torres solares de corriente ascendente. Este sistema híbrido de torre de refrigeración, chimenea solar (HCTSC) demostró ser capaz de producir un aumento de más de diez veces en la potencia de salida en comparación con las centrales eléctricas convencionales de chimenea solar como Manzanares, Ciudad Real , con dimensiones geométricas similares. Además, se demostró que con un aumento en el diámetro de la chimenea, la generación de energía puede alcanzar una potencia de salida de MW sin la necesidad de construir enormes paneles de chimenea solares individuales. Los resultados mostraron una potencia de salida máxima de 3 MW del sistema HCTSC que resultó en un aumento del 0,37% en la eficiencia térmica de una planta de energía de combustible fósil típica de 250 MW, con un diámetro de chimenea de solo 50 metros (160 pies). El nuevo diseño híbrido hizo que la torre solar de corriente ascendente fuera factible nuevamente y demostró ser económica para ahorrar mucho tiempo y costos de construcción. Este concepto también recupera el calor de los radiadores que se arrojan a la atmósfera sin una utilización eficiente y evita la generación excesiva de gases de efecto invernadero.
El rendimiento de una torre de corriente ascendente puede verse degradado por factores como los vientos atmosféricos, [50] [51] por el arrastre inducido por los arriostramientos utilizados para sostener la chimenea, [52] y por el reflejo en la parte superior del dosel del invernadero.
Ideas y adaptaciones relacionadas
Corriente ascendente
- La propuesta del vórtice atmosférico [53] reemplaza la chimenea física por un vórtice de corriente ascendente ciclónico controlado o "anclado". Dependiendo del gradiente de temperatura y presión de la columna, o la flotabilidad, y la estabilidad del vórtice, se puede lograr una corriente ascendente a gran altitud. Como alternativa a un colector solar, el calor residual industrial y urbano podría utilizarse para iniciar y mantener la corriente ascendente en el vórtice.
- El diseño telescópico o retráctil puede bajar una chimenea muy alta para mantenimiento o para evitar daños por tormentas. También se ha propuesto la suspensión de la chimenea de un globo de aire caliente.
- Una forma de tecnología de caldera solar colocada directamente sobre la turbina en la base de la torre podría aumentar el tiro ascendente. [ cita requerida ]
- Moreno (2006) enseña en la Patente de Estados Unidos Nº 7.026.723 [54] que una chimenea puede colocarse económicamente en una colina o en la ladera de una montaña. Klinkman (2014) en la patente de EE. UU. # 8,823,197 [55] explica la construcción de chimeneas diagonales. Una estructura tan simple como un túnel de aros altos, pero mucho más larga y en una pendiente, puede generar permanentemente un flujo de aire para producir electricidad. Cambiar el diferencial de altura de la chimenea de 200 m (el experimento de Manzanares) a 2000 m (Charleston Peak en Nevada tiene una elevación de más de 2500 m, por ejemplo) transferirá un factor diez más del calor solar capturado a energía eléctrica. Aumentar la diferencia de temperatura entre el aire de la chimenea y el aire exterior en un factor de diez aumenta la potencia de la misma chimenea en un factor adicional de diez, suponiendo que las paredes de la chimenea están diseñadas para absorber el calor adicional. La concentración de calor solar a menudo se realiza con reflexión.
- Una planta de energía de chimenea solar inflable se evaluó analíticamente y se simuló mediante modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta idea ha sido registrada como patente, incluyendo la forma óptima del colector y el perfil analítico de la torre hinchable autoportante. [56] La simulación CFD ha sido evaluada mediante la verificación, validación y cuantificación de la incertidumbre (VVUQ) de simulaciones por computadora según las normas de 2009 de la American Society of Mechanical Engineers. [57]
- Airtower es una propuesta del arquitecto Julian Breinersdorfer para aprovechar mejor el alto desembolso de capital inicial de construir una estructura muy alta incorporándola a un núcleo de edificio de gran altura. La proximidad del productor y el consumidor también puede reducir las pérdidas de transmisión. [58] >
Coleccionista
- Un disipador térmico de agua salada en el colector podría "aplanar" la variación diurna en la producción de energía, mientras que la humidificación del flujo de aire en el colector y la condensación en la corriente ascendente podrían aumentar el flujo de energía del sistema. [4] [5]
- Al igual que con otras tecnologías solares, se requiere algún mecanismo para mezclar su salida de energía variable con otras fuentes de energía. El calor se puede almacenar en materiales absorbentes de calor o en estanques de agua salada. La electricidad se puede almacenar en caché en baterías u otras tecnologías. [59]
- Una innovación reciente ha sido el uso de colectores transpirados en lugar de las tradicionales cubiertas de acristalamiento. [60] Los colectores transpirados tienen eficiencias en el rango del 60% al 80% o tres veces la eficacia del 25% medida con los colectores de invernadero. [61] El gran campo de colectores solares ahora se puede reducir a la mitad o menos, lo que hace que las torres solares de corriente ascendente sean mucho más rentables. Se ha concedido una patente sobre un sistema de torre solar que utiliza colectores transpirados. [62]
El generador
- Si la corriente ascendente de la chimenea es un vórtice ionizado, entonces el campo electromagnético podría aprovecharse para generar electricidad, utilizando el flujo de aire y la chimenea como generador. [ cita requerida ]
Aplicaciones
- La liberación de aire húmedo a nivel del suelo de un vórtice atmosférico o una chimenea solar en la altura podría formar nubes o precipitaciones, alterando potencialmente la hidrología local. [63] [64] [65] La des-desertificación local o la forestación podrían lograrse si se estableciera y mantuviera un ciclo regional del agua en una zona que de otro modo sería árida.
- El destilador de ciclón solar [66] podría extraer agua atmosférica por condensación en la corriente ascendente de la chimenea. Este destilador de agua ciclónica solar con un estanque colector solar podría adaptar el sistema colector-chimenea solar para la desalación a gran escala de la salmuera, agua salobre o residual acumulada en la base del colector. [67]
- Equipado con un depurador de chimenea de vórtice, la corriente ascendente podría limpiarse de la contaminación del aire por partículas. Una torre experimental está limpiando el aire en China con poca energía externa. [68] [69] [44] Alternativamente, la contaminación del aire por partículas atrapadas en la corriente ascendente podría servir como un estímulo de nucleación para la precipitación [70] ya sea en la chimenea o en la altitud de liberación como semillas de nubes .
- La eliminación de la contaminación del aire urbano elevada y dispersa en la altitud podría reflejar la insolación, reduciendo el calentamiento solar a nivel del suelo.
- La producción de energía, la desalinización de agua [67] o la simple extracción de agua atmosférica podrían utilizarse para apoyar la agricultura local fijadora de carbono o productora de alimentos [71] y para la acuicultura y horticultura intensivas bajo el colector solar como invernadero.
- Una chimenea extensible liviana suspendida en un globo anclada a una atadura urbana, elevada desde el nivel del suelo a través de aire caliente bajo hasta una altitud mayor podría eliminar la contaminación del aire sin la necesidad de un colector amplio en la base, dada la altura adecuada de liberación. Esto podría mejorar la calidad del aire en megaciudades altamente contaminadas sin la carga y el costo de una construcción fija importante.
Capitalización
Una estación de energía solar de corriente ascendente requeriría un gran desembolso de capital inicial, pero tendría un costo operativo relativamente bajo. [5]
Los desembolsos de capital serían aproximadamente los mismos que los de las plantas nucleares de próxima generación, como la AP-1000, a aproximadamente $ 5 por vatio de capacidad. Como ocurre con otras fuentes de energía renovable, las torres no necesitan combustible. Los costes generales están determinados en gran medida por los tipos de interés y los años de funcionamiento, que van desde 5 céntimos de euro por kWh durante el 4% y 20 años a 15 céntimos de euro por kWh durante el 12% y 40 años. [72]
Las estimaciones de los costes totales oscilan entre 7 (para una planta de 200 MW) y 21 (para una planta de 5 MW) céntimos de euro por kWh y entre 25 y 35 céntimos por kWh. [73] El coste nivelado de la energía (LCOE) es de aproximadamente 3 céntimos de euro por KWh para una planta eólica o de gas natural de 100 MW. [74] No se dispone de datos reales para una central eléctrica a escala de servicios públicos. [75]
Ver también
- Torre de energía (corriente descendente)
- Estanque solar
- Motor de vórtice
Referencias
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enlaces externos
- Schlaich Bergermann Solar
- Proyecto Hyperion, Australia Occidental
- Enlace de video Torre de corriente ascendente solar española
- enlace de video propuesta de torre australiana
- Boquilla solar
- Artículo sobre dinero de CNN 2006-10-26
- Torre Solar Mildura en Structurae
- Estudio de la Universidad de Stellenbosch
- Programa de tecnologías de energía solar del Departamento de Energía de EE. UU.
- Vórtice atmosférico alternativa a la chimenea solar
- 2da Conferencia Internacional sobre Tecnología de Energía Solar Chimenea
- Tercera Conferencia Internacional sobre Tecnología de Energía de Torres de Corriente Solar