Representación esquemática de una torre de energía solar con corriente ascendente
La torre solar de corriente ascendente ( SUT ) es un concepto de diseño para una planta de energía renovable destinada a generar electricidad a partir del calor solar de baja temperatura. La luz del sol calienta el aire que se encuentra debajo de una estructura colectora techada similar a un invernadero muy ancho que rodea la base central de una torre con chimenea muy alta. La convección resultante provoca una corriente ascendente de aire caliente en la torre por el efecto chimenea . Este flujo de aire impulsa turbinas eólicas , ubicadas 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 escala real en funcionamiento. Se planean versiones a mayor escala de modelos de demostración para generar una cantidad significativa de energía. También pueden permitir el desarrollo de otras aplicaciones, como la agricultura o la horticultura, la extracción o destilación de agua o la remediación de la contaminación del aire urbano [ cita requerida ] .
La inversión comercial puede haber sido desalentada por el alto costo inicial de construir una estructura novedosa de gran tamaño, la gran superficie de terreno requerida y el riesgo de la inversión. [1] Recientemente se han construido algunos prototipos [2] en España en 1981, en Irán en 2011 y en China en 2010 (véase más adelante), y se propusieron proyectos para partes de África, Estados Unidos y Australia.
En 2014, National Geographic publicó una actualización popular, que incluía una entrevista con un defensor de la ingeniería informado. Una planta de energía solar con torre de corriente ascendente puede generar electricidad a partir del gradiente de calor atmosférico de baja temperatura entre el nivel del suelo o la superficie y la altitud alcanzable estructuralmente. La viabilidad funcional o mecánica es ahora un problema menor que la capitalización. [1] Está disponible una revisión exhaustiva de los aspectos teóricos y experimentales del desarrollo de la planta de energía solar con torre de corriente ascendente (SUTPP), que recomienda el desarrollo comercial. [3] Dogan Eyrener presentó en 2020 una revisión del progreso en los datos de demostración y modelados, que se incluyó en la publicación de las actas. [4] En 2022 se publicó una revisión de las tecnologías combinadas para abordar la intermitencia de la producción de energía, de la torre solar de corriente ascendente híbrida con tecnologías complementarias. [5] Las tecnologías combinadas, múltiples o híbridas incluyen torres combinadas de corriente ascendente y descendente, [6] y transferencia de calor residual de turbina de gas con corriente ascendente solar. [7]
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 analizado áreas colectoras de hasta 7 kilómetros (4,3 millas) de diámetro. Una mayor altura de chimenea aumenta la diferencia de presión a través del efecto chimenea ; se han analizado chimeneas de hasta 1.000 metros (3.281 pies) de altura. [8]
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 liberación del calor latente de condensación en la chimenea podrían aumentar el flujo de energía del sistema. [9] [10]
Dado que los colectores solares ocupan grandes cantidades de tierra, lo más probable es que se encuentren en desiertos y otros sitios de bajo valor. Las mejoras en la eficiencia de recolección de calor solar mediante el uso de colectores transpirados sin vidriar pueden reducir significativamente la tierra necesaria para los paneles solares.
Una torre solar de corriente ascendente a pequeña escala puede ser una opción atractiva para regiones remotas en países en desarrollo. [12] [13] El enfoque de tecnología relativamente baja podría permitir que se utilicen recursos y mano de obra locales 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 de colectores inclinado, que también funciona como chimenea, se construye en laderas de montaña adecuadas, con una chimenea vertical corta en la cima de la montaña para acomodar la turbina de aire de eje vertical. Los resultados mostraron que las plantas de energía solar con chimenea en latitudes altas pueden tener un rendimiento térmico satisfactorio. [14]
Historia y progreso
Chimenea de A Treatise of Mechanics (1826)
Hace 500 años, Leonardo da Vinci concibió una turbina de chimenea como una chimenea para fumar . Un animal ensartado sobre el fuego o en un horno podía girar gracias a una turbina de eje vertical con cuatro álabes en ángulo en la corriente ascendente de la chimenea.
Alfred Rosling Bennett publicó la primera patente que describe un "molino de convección" en 1896. [15] Aunque en el título de la patente y en las reivindicaciones aparece claramente la palabra "juguete" y aunque en la descripción general que se hace dentro de la patente es evidente que la idea era producir dispositivos pequeños, en la página 3, en las líneas 49-54, Bennett imagina dispositivos mucho más grandes para aplicaciones a 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 la Ciencia de Londres .
En 1903, Isidoro Cabanyes, un coronel del ejército español, propuso una planta de energía solar con chimenea en la revista La energía eléctrica . [16] Otra descripción temprana fue publicada en 1931 por el autor alemán Hanns Günther . [17] A principios de 1975, Robert E. Lucier solicitó patentes para un generador de energía eléctrica con chimenea solar; entre 1978 y 1981 se otorgaron patentes (ya expiradas) en Australia, [18] Canadá, [19] Israel, [20] y los EE. UU. [21]
En 1926, el ingeniero Bernard Dubos propuso a la Academia Francesa de Ciencias 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. [22] Una torre de corriente ascendente en la ladera de una montaña también puede funcionar como un invernadero vertical. [ cita requerida ]
En 1956, Edgard Nazare , tras observar varios remolinos de polvo en el sur del Sahara, presentó su primera patente en Argel sobre el generador de ciclones artificiales. Esta patente fue presentada nuevamente más tarde en París [23]
Chimenea solar de Manzanares vista a través del techo del colector de poliéster
En 1982, se construyó un modelo experimental a pequeña escala de una torre de tiro solar [24] en Manzanares, Ciudad Real , 150 km al sur de Madrid , España, en 39°02′34.45″N 3°15′12.21″O / 39.0429028, -3.2533917 (Torre de tiro ascendente solar de Manzanares) . La planta de energía funcionó durante aproximadamente ocho años. Los cables tensores de la torre no estaban protegidos contra la corrosión y fallaron debido al óxido y los vientos de tormenta. La torre se derrumbó y se desmanteló en 1989. [25]
El SUT visto desde La Solana
Para evaluar su rendimiento se utilizaron materiales económicos. La torre solar se construyó con placas de hierro de tan solo 1,25 milímetros de espesor bajo la dirección de un ingeniero alemán, Jörg Schlaich . El proyecto fue financiado por el gobierno alemán. [26] [27]
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 4,6 hectáreas (11 acres) y un diámetro de 244 metros (801 pies), obteniendo una potencia máxima de aproximadamente 50 kW . Se utilizaron varios materiales para las pruebas, como acristalamiento simple o doble o plástico (que resultó no ser lo suficientemente duradero). Una sección se utilizó como invernadero real. Durante su funcionamiento, 180 sensores midieron la temperatura interior y exterior, la humedad y los datos de velocidad del viento se recopilaron segundo a segundo. [28] Esta configuración experimental no vendió energía.
En diciembre de 2010, una torre en Jinshawan en Mongolia Interior , China, comenzó a funcionar, produciendo 200 kilovatios . [29] [30] El proyecto de 1.380 millones de RMB ( 208 millones de USD ) se inició en mayo de 2009. Estaba previsto que cubriera 277 hectáreas (680 acres) y produjera 27,5 MW para 2013, pero tuvo que reducirse. Se esperaba que la planta de chimenea solar mejorara el clima al cubrir arena suelta, restringiendo las tormentas de arena. [31] Los críticos han dicho que la torre de 50 m de altura es demasiado baja para funcionar correctamente y que fue un error utilizar vidrio en los marcos de metal para el colector, ya que muchos de ellos se agrietaron y se rompieron con el calor. [1]
Prototipo de motor SUT en Manzanares, España, visto desde un punto a 8 km al sur
Una propuesta para construir una torre solar de corriente ascendente en Fuente el Fresno , Ciudad Real , España, llamada Ciudad Real Torre Solar, sería la primera de su tipo en la Unión Europea [32] y tendría una altura de 750 metros (2460 pies), [33] cubriendo un área de 350 hectáreas (860 acres). [34]
Se espera que produzca 40 MW . [35] A esa altura, sería casi el doble de alto que el mástil de televisión Belmont , que alguna vez fue la estructura más alta de la Unión Europea, antes de ser acortado en 24 metros. [36]
Chimenea solar de Manzanares – vista de la torre a través de la cubierta de cristal del colector
En 2001, EnviroMission [37] propuso construir una planta generadora de energía solar con torres de corriente ascendente conocida como Solar Tower Buronga cerca de Buronga, Nueva Gales del Sur . [38] La empresa no completó el proyecto. Tienen planes para una planta similar en Arizona, [39] y más recientemente (diciembre de 2013) en Texas, [40] pero no hay señales de "inicio de obras" 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 , estaba planeando construir una torre solar de corriente ascendente de 1 km de altura cerca de Meekatharra para suministrar energía a proyectos mineros del Medio Oeste. [41]
Vista desde la torre del tejado con el suelo ennegrecido debajo del colector. Se pueden ver los diferentes materiales de prueba para la cubierta vegetal y 12 grandes campos de suelo no ennegrecido para el área de prueba agrícola.
A mediados de 2008, el gobierno de Namibia aprobó una propuesta para la construcción de una chimenea solar de 400 MW llamada "Greentower". Se prevé que la torre tenga 1,5 kilómetros (4.900 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 podrán cultivar cultivos comerciales. [42]
En Turquía se construyó un modelo de torre solar de corriente ascendente como proyecto de ingeniería civil. [43] Su funcionalidad y resultados no están claros. [44] [45]
Una segunda torre solar de corriente ascendente que utiliza un colector transpirado está funcionando en la Universidad Trakya en Edirne, Turquía, y se está utilizando para probar varias innovaciones en diseños de SUT, incluida la capacidad de recuperar calor de los paneles fotovoltaicos (PV). [ cita requerida ]
Las torres solares pueden incorporar módulos fotovoltaicos (PV) en colectores transpirados para una producción diurna adicional y el calor del conjunto fotovoltaico es utilizado por la torre solar.
En 2012, se construyó y estudió un SUT casero para una feria de ciencias escolar en un entorno suburbano de Connecticut. [46] [47] Con una chimenea 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 turbina. La insolación y el viento fueron los principales factores de variación (rango de 0,12 a 21,78 mW) en la salida.
En Xi'an , en el centro de China, una chimenea urbana de 60 metros con un colector circundante ha reducido significativamente la contaminación del aire urbano. Este proyecto de demostración fue dirigido por Cao Jun Ji, químico del Laboratorio Clave de Química y Física de Aerosoles de la Academia de Ciencias de China. [48] Este trabajo se ha publicado posteriormente en, con datos de rendimiento y modelos. [49] [50]
Eficiencia
La tradicional torre solar de corriente ascendente tiene una tasa de conversión de energía considerablemente menor que la de muchos otros diseños del grupo de colectores solares térmicos (de alta temperatura) . La baja tasa de conversión se equilibra en cierta medida con el menor costo por metro cuadrado de la recolección solar. [25] [51] [52]
Los cálculos del modelo estiman que una planta de 100 MW requeriría una torre de 1.000 m y un invernadero de 20 kilómetros cuadrados (7,7 millas cuadradas). Una torre de 200 MW de la misma altura requeriría un colector de 7 kilómetros de diámetro (área total de aproximadamente 38 km2 ( 15 millas cuadradas)). [10] Una central eléctrica de 200 MW proporcionará suficiente electricidad para alrededor de 200.000 hogares típicos y reducirá más de 900.000 toneladas de gases de efecto invernadero que ingresan al medio ambiente anualmente. Se espera que el área del colector acristalado extraiga aproximadamente el 0,5 por ciento, o 5 W/m2 de 1 kW/m2 , de la energía solar que cae sobre ella. Si se utiliza un colector solar transpirado en lugar del colector acristalado, la eficiencia se duplica.
Se pueden lograr mejoras adicionales en la eficiencia 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) tienen una eficiencia de entre el 20% y el 31,25% ( disco Stirling ). La eficiencia general de CSP/CPV se reduce porque los colectores no cubren toda la superficie. Sin más pruebas, la precisión de estos cálculos es incierta. [53] La mayoría de las proyecciones de eficiencia, costos y rendimientos se calculan teóricamente, en lugar de derivarse empíricamente de demostraciones, y se ven en comparación con otras tecnologías de colectores o transducción de calor solar. [54]
Un concepto innovador que combina una torre de enfriamiento seco de una planta de energía térmica con una chimenea solar fue introducido por primera vez por Zandian y Ashjaee [55] en 2013 para aumentar la eficiencia de las torres solares de corriente ascendente. Este sistema híbrido de torre de enfriamiento-chimenea solar (HCTSC) demostró ser capaz de producir un aumento de más de diez veces en la potencia de salida en comparación con las plantas de energía de chimenea solar convencionales 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 graduada en MW sin la necesidad de construir enormes paneles de chimenea solar individuales. Los resultados mostraron una potencia máxima de salida de 3 MW del sistema HCTSC, lo 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 volviera a ser viable y demostró que era económica, ya que ahorraba mucho tiempo y costos de construcción. Este concepto también recupera el calor de los radiadores que se expulsan a la atmósfera sin un uso eficiente y evita la generación excesiva de gases de efecto invernadero.
El rendimiento de una torre de corriente ascendente puede verse afectado por factores como los vientos atmosféricos [56] [57], el arrastre inducido por los soportes utilizados para sostener la chimenea [58] y la reflexión en la parte superior de la cubierta del invernadero. Sin embargo, la corriente ascendente puede verse potenciada por el viento cruzado en el nivel superior: la creación de un vórtice de baja presión en la parte superior de la chimenea aumentaría la corriente ascendente [59] .
Ideas y adaptaciones relacionadas
Corriente ascendente
La propuesta del vórtice atmosférico [60] reemplaza la chimenea física por un vórtice ciclónico de corriente ascendente controlado o "anclado". Dependiendo del gradiente de temperatura y presión de la columna, o de la flotabilidad y la estabilidad del vórtice, se puede lograr una corriente ascendente a gran altitud. Como alternativa a un colector solar, se podría utilizar el calor residual industrial y urbano para iniciar y mantener la corriente ascendente en el vórtice.
El diseño telescópico o retráctil permite bajar una chimenea muy alta para realizar tareas de mantenimiento o para evitar daños por tormentas. También se ha propuesto la suspensión de chimeneas mediante globos aerostáticos.
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) propuso que una chimenea puede ser ubicada de manera económica en una colina o ladera de una montaña. [22] Klinkman (2014) elaboró sobre la construcción de chimeneas diagonales. [61] Una estructura construida tan sencilla como un túnel de aro alto, pero mucho más larga en longitud y en una pendiente, puede generar permanentemente un flujo de aire para producir electricidad. Cambiar la diferencia de altura de la chimenea de 200 m (el experimento de Manzanares) a 2000 m (el pico Charleston en Nevada tiene una elevación de más de 2500 m, por ejemplo) transferirá un factor de diez más del calor solar capturado en energía eléctrica. Aumentar el diferencial 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 estén diseñadas para absorber el calor adicional. La concentración del calor solar a menudo se realiza con reflexión.
Se ha evaluado analíticamente una planta de energía solar con chimenea inflable y se la ha simulado mediante modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta idea se ha registrado como patente, incluida la forma óptima del colector y el perfil analítico para la torre inflable autónoma. [62] La simulación CFD se ha evaluado mediante verificación, validación y cuantificación de incertidumbre (VVUQ) de simulaciones por computadora según los estándares de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos de 2009. [63] [64]
Airtower es una propuesta del arquitecto Julian Breinersdorfer para aprovechar mejor el elevado desembolso inicial de capital que supone construir una estructura muy alta incorporándola a un núcleo de edificios de gran altura. La proximidad del productor y el consumidor también puede reducir las pérdidas de transmisión. [65] >
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. [9] [10]
Al igual que con otras tecnologías solares, se requiere algún mecanismo para mezclar su variable potencia de salida con otras fuentes de energía. El calor se puede almacenar en material absorbente de calor o en estanques de agua salada. La electricidad se puede almacenar en baterías u otras tecnologías. [66]
Una innovación reciente ha sido el uso de colectores transpirados en lugar de las tradicionales cubiertas de vidrio. [67] Los colectores transpirados tienen eficiencias en el rango del 60% al 80% o tres veces la eficiencia del 25% medida con los colectores de invernadero. [68] 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 para un sistema de torre solar que utiliza colectores transpirados. [69]
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 desde un vórtice atmosférico o chimenea solar en altitud podría formar nubes o precipitaciones, alterando potencialmente la hidrología local. [70] [71] Algunas de estas ideas se originaron en el trabajo de Niewiadomski y Haman , quienes estudiaron la dinámica de las torres de enfriamiento. [72] La desertificación local, o forestación, podría lograrse si se estableciera y mantuviera un ciclo hídrico regional en un área que de otro modo sería árida.
El destilador solar ciclónico [73] podría extraer agua atmosférica por condensación en la corriente ascendente de la chimenea. Este destilador solar ciclónico de agua en la corriente ascendente sobre un estanque colector solar podría adaptar el sistema colector solar-chimenea para la desalinización a gran escala de salmuera, agua salobre o aguas residuales acumuladas en la base del colector. [74]
Equipada con un depurador de chimenea de vórtice, la corriente ascendente podría limpiarse de la contaminación del aire por partículas. Una torre de demostración experimental está limpiando el aire en una ciudad china con poco aporte de energía externa. [75] [76] [48]
Como alternativa a la depuración, la contaminación del aire por partículas atrapadas en la corriente ascendente y liberadas podría servir como estímulo de nucleación para la precipitación [77], 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 altitud podría reflejar la insolación, reduciendo el calentamiento solar a nivel del suelo. [78] [ referencia circular ]
La producción de energía, la desalinización de agua [74] o la simple extracción de agua atmosférica podrían utilizarse para apoyar la fijación de carbono o la agricultura local productora de alimentos [79] , y para la acuicultura y la horticultura intensivas bajo el colector solar como invernadero.
Una chimenea ligera y extensible suspendida en un globo y anclada a una atadura urbana, que se eleva desde el aire cálido de bajo nivel hasta una gran altitud, podría eliminar la contaminación del aire de baja altitud sin necesidad de un colector amplio en la base, siempre que la altura de liberación sea adecuada. Esto podría mejorar la calidad del aire en megaciudades altamente contaminadas sin la carga y el costo de una gran construcción fija.
Capitalización
Una central solar de corriente ascendente requeriría una gran inversión de capital inicial, pero tendría un coste operativo relativamente bajo. [10]
Los desembolsos de capital serían aproximadamente los mismos que los de las plantas nucleares de próxima generación, como la AP-1000, con unos 5 dólares por vatio de capacidad. Al igual que con otras fuentes de energía renovable, las torres no necesitan combustible. Los costos generales están determinados en gran medida por las tasas de interés y los años de operación, y varían desde 5 céntimos de euro por kWh para el 4% y 20 años hasta 15 céntimos de euro por kWh para el 12% y 40 años. [80]
Las estimaciones de los costes totales varían 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. [81] 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. [82] No hay datos reales disponibles para una planta de energía a escala de servicios públicos. [83]
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Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Torres solares de corriente ascendente .
Schlaich Bergermann Solar
Proyecto Hyperion, Australia Occidental
Enlace de vídeo sobre la torre solar de corriente ascendente
Enlace de vídeo sobre la propuesta de torre australiana
Boquilla solar
Artículo de CNN sobre el dinero, 26 de octubre de 2006
