¿Como ser más eficiente al generar energía limpia gracias a la concentración de energía solar?

¿Alguna vez usaste una lupa para enfocar la luz del sol en tu mano?

Aumente ese calor un millón de veces y comprenda el concepto de una planta solar térmica en un campo gigante de espejos, concentrando la luz solar en una cámara de metal negro llena de agua, aire u otros fluidos que transportan el calor. La luz solar concentrada es absorbida por las paredes de la cámara y luego conducida a través del fluido, lo que la hace extremadamente caliente. Este concepto puede servir para muchos propósitos, como servir reactores en plantas químicas o convertir la luz solar en electricidad para plantas de energía gigantes.

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 luz solar concentrada como fuente de calor . En lugar de enfocar la luz solar en una cámara negra, su laboratorio está simulando lo que sucedería si la luz concentrada se transmitiera a una cámara transparente, o tetera, para continuar la analogía. En teoría, los fotones de luz que pasan a través de la cámara clara colisionarían con las moléculas de fluido en su interior, calentando el fluido desde dentro con una pérdida de energía significativamente menor.

Este diseño transparente, presentado hace años por investigadores del Departamento de Energía de EE. UU., Plantea sus propios desafíos. 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 se cierran a través del 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 el aire turbio y más absorbente de 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 de la cámara negra en millones de piezas pequeñas y las están colocando junto a las moléculas de aire donde realmente se pretende la transferencia de calor.

Estas pequeñas partículas son difíciles de controlar. Piensa en el polvo iluminado por un rayo de sol que se amontona en patrones aparentemente impredecibles. En el campo de mecánica de fluidos de Mani, este movimiento caótico se denomina 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.

Modelado de millones de partículas

En un sistema perfecto, el aire se movería a través de la cámara transparente rápidamente. Las partículas sólidas absorbidas en el flujo de aire se distribuirán uniformemente, 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 el momento, las partículas no se dispersaron uniformemente, ni el calor del aire se uniformó. 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. Por el contrario, los fotones se deslizan a través del aire más claro y sin partículas, dejando esas regiones más frías. Algunas zonas están demasiado calientes, otras son demasiado frías y, en general, gran parte de la energía de la luz no se absorbe o las zonas calientes vuelven a radiarla. “Es casi como si hubiésemos vuelto al punto de partida”, 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 cúmulos de partículas calientan el aire circundante a diferentes velocidades. Las simulaciones con estas muchas variables chocan con los límites del conocimiento computacional.

“Para cada punto en el espacio y cada instancia en el tiempo, necesita saber lo que 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 lazos de aire con partículas de diferentes tamaños. Al igual que las aves de una bandada de plumas juntas, las partículas del mismo tamaño tienden a agruparse. Los modelos también sugieren que sembrar la cámara con partículas de tamaños variados podría ser una forma de utilizar la turbulencia para mejorar la extracción de calor en general.

Con estas y otras soluciones, los investigadores esperan forzar a las partículas a que se mezclen 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 ya no es tan complicado”.

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