análisis de la tecnología de chimenea solar para la

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
“ANÁLISIS DE LA TECNOLOGÍA
DE CHIMENEA SOLAR PARA LA
GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA”
MONOGRAFÍA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
PRESENTA:
MAXIMILIANO MARTÍNEZ RUIZ ESPARZA
XALAPA, VER.
FEBRERO 2011
Agradecimientos
A mi director de trabajo recepcional, Dr. Jorge A. del Ángel Ramos, por su apoyo y disposición.
A mis jurados, Mtro. Miguel Vélez Castillejos y Mtro. Rodolfo Solórzano Hernández, por su
interés y paciencia.
A todos los catedráticos de FIME Xalapa, por compartir conmigo sus conocimientos y
experiencia en ingeniería y la vida en general.
A mis amigos, por haber hecho de la universidad una experiencia inolvidable.
Dedicatoria
A mi madre, por apoyarme incondicionalmente en mis estudios y haberme inspirado a ser una
mejor persona.
A mi hermana, por los consejos y entusiasmo que siempre tuvo para mí.
A mi tío, IME Carlos González Andrade, por toda la experiencia, anécdotas y libros que
compartió conmigo.
A toda mi familia, por haber estado para mí cuando los necesité.
Gracias.
AN ÁLISIS DE LA T EC N OL OGÍ A D E CHI M EN EA S OL AR PA RA L A G EN ER ACI Ó N DE EN ER GÍA ELÉCT RIC A
Contenido
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 5
I. Justificación........................................................................................................................ 7
II. Objetivo ............................................................................................................................ 7
III. Desarrollo del Trabajo ...................................................................................................... 7
1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS ................................................................................................. 9
1.1. Chimenea Solar de Isidoro Cabanyes ............................................................................ 10
1.2. Chimenea Solar de Bernard Dubos ............................................................................... 12
1.3. Generador de Ciclones de Henri Nazare ....................................................................... 14
1.4. Chimenea Solar de Jörg Schlaich ................................................................................... 22
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 23
2.1. Colector Solar ............................................................................................................... 24
2.2. Chimenea ..................................................................................................................... 25
2.3. Turbinas ....................................................................................................................... 25
2.4. Almacenaje Térmico ..................................................................................................... 26
2.5. Análisis Termodinámico y de Funcionamiento .............................................................. 28
2.6. Análisis Detallado ......................................................................................................... 32
2.7. Ecuación de Transferencia de Calor, Coeficiente de Turbina, Calidad de Vidrio y Tipo de
Suelo................................................................................................................................... 47
2.8. Condición de Máximo Flujo de Potencia ....................................................................... 51
3. APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA...................................................................................... 60
3.1. APLICACIÓN EN CAMPO ............................................................................................... 60
3.1.1. El Prototipo de Manzanares ................................................................................... 60
3.2. VARIANTES TÉCNICAS DE LA APLICACIÓN ..................................................................... 68
3.2.1. Chimenea Solar con Tobera Convergente en el Colector ........................................ 68
3.2.2. Chimenea divergente ............................................................................................. 69
3.2.3. Chimenea flotante ................................................................................................. 70
3.2.4. Colector inclinado .................................................................................................. 71
3.2.5. SNAP ..................................................................................................................... 72
3.2.6. Tornado de Lucier .................................................................................................. 73
3.2.7. AVE........................................................................................................................ 74
4. PERSPECTIVAS DE LA TECNOLOGÍA...................................................................................... 76
5. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 83
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 87
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INTRODUCCIÓN
El problema energético es uno de los asuntos que la ingeniería debe resolver con más
urgencia. Es evidente el hecho de que el desarrollo que hemos basado en los combustibles
fósiles no durará mucho tiempo debido al agotamiento de dichos recursos, el cual se ha
acelerado con el pasar de los años. Desde el inicio de la revolución industrial han sido los
combustibles fósiles los preferidos para hacer funcionar las máquinas que mueven al mundo,
debido a múltiples bondades que ellos presentan, como el alto contenido energético, fácil
almacenamiento, y la obtención de múltiples subproductos.
Con la evolución de la industria, se hizo evidente que los combustibles fósiles no son
tan bondadosos y presentan grandes amenazas a nuestro entorno. El primer problema en ser
detectado desde que se inició su uso fue la contaminación que producían en forma de gases y
cenizas producto de su combustión, que se aglutinaban en forma de nubes alrededor de los
grandes centros industriales disminuyendo considerablemente la calidad del aire,
traduciéndose en afecciones respiratorias en los habitantes. Un análisis más detallado de los
productos de la combustión reveló que los gases presentes son, además del relativamente
inofensivo dióxido de carbono, sustancias nocivas o tóxicas como el monóxido de carbono
(CO), hidrocarburos, óxidos de nitrógeno (NO x) etc. Para disminuir la cantidad de monóxido de
carbono, que es señal de una combustión incompleta, se realizaron esfuerzos por mejorar la
eficiencia de los procesos y la implementación de catalizadores. Los gases productos de la
combustión son causantes también del fenómeno conocido como lluvia ácida, que afecta tanto
a las construcciones en las ciudades como a la tierra y a las plantas.
Pero el aspecto más nocivo de los gases de combustión es que son gases de
invernadero. El efecto invernadero se presenta cuándo los gases presentes en la atmósfera
dejan pasar la radiación solar hasta la superficie terrestre dónde elevan su temperatura, pero
no dejan escapar el calor acumulado, manteniendo la temperatura alcanzada. Éste fenómeno
es normal y necesario para sostener la vida en el planeta al mantener relativamente constante
la temperatura terrestre, pero la concentración anormal de gases de efecto invernadero
productos de la actividad humana a través de la quema de combustibles fósiles ha
desencadenado un proceso de sobrecalentamiento global. Éste proceso es el causante de las
irregularidades en el clima junto con todas las consecuencias que ellas acarrean.
Aparte de los problemas de contaminación causados por los combustibles fósiles,
existe otro problema que eventualmente pondrá fin a su explotación: los combustibles fósiles
son recursos no renovables. Esto quiere decir que los combustibles fósiles se agotarán y
tendrán que pasar millones de años para que los procesos que los crearon en un principio se
lleven a cabo de nueva cuenta. El día en que los combustibles fósiles se agotarán no está muy
lejos. Según un informe de la empresa British Petroleum sobre la situación de los energéticos
en el mundo, ya se ha alcanzado un máximo en la producción de petróleo en países como
Estados Unidos (1970), Venezuela (1970), Libia (1970), Kuwait (1972), Irán (1974), Rumania
(1976), Indonesia (1977), Trinidad y Tobago (1978), Irak (1979), Túnez (1980), Perú (1982),
Camerún (1985), Federación Rusa (1987), Egipto (1993), Siria (1995), Gabón (1996), Argentina
(1998), Colombia (1999), Reino Unido (1999), Uzbekistan (1999), Australia (2000), Noruega
(2001), Omán (2001), Yemen (2002), Turkmenistan (2003), México (2004), Dinamarca (2004),
India (2004), Malasia (2004) y Vietnam (2004). Posibles fechas de próximos picos de
producción: Kuwait (2013) (pico secundario luego del definitivo de 1972), Arabia Saudita
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(2014), Irak (2018) (Pico secundario luego del definitivo de 1979). La producción en estos
países está disminuyendo, lo que indica que el pico de producción de petróleo mundial es
inminente (British Petroleum, 2008). El informe señala que México alcanzó en 2004 su máximo
pico de producción de petróleo. En un comunicado publicado en marzo del 2010, PEMEX
informó que continuando con la tasa de producción actual, las reservas probadas de petróleo
alcanzarían sólo 10 años más de producción. Es por esto que es imperativo que México
encuentre la forma de impulsar su industria con cantidades cada vez menores de petróleo, por
lo que se necesitan fuentes de energía alternas a los hidrocarburos.
Actualmente, la mayor parte de la energía empleada en el mundo proviene de los
combustibles fósiles. La generación de energía eléctrica es un proceso basado principalmente
en los combustibles fósiles y por lo tanto es la principal responsable del aumento de los
problemas que trae consigo la quema de combustible fósil.
Bajo la presión de los problemas descritos anteriormente, la ingeniería se ha dado a la
tarea de buscar nuevas fuentes de energía diferentes a los combustibles fósiles, para así poder
desplazarlos de la industria de la generación de energía y algún día, reemplazarlos. Las
características que se buscan principalmente en una fuente de energía son: que produzca el
menor impacto ambiental posible y la menor contaminación de cualquier tipo, que tenga un
potencial energético y una eficiencia aceptable, que sea segura, simple, confiable, rentable y
barata.
Aparte de la quema de combustibles, existen otras fuentes de energía aprovechadas
para la generación de electricidad, desgraciadamente no cumplen de manera satisfactoria las
expectativas mencionadas, lo que las convierte en buenos apoyos para disminuir el uso de
combustibles, pero no podrán reemplazarlos. Hasta que la humanidad encuentre la forma de
obtener energía limpia de un proceso totalmente ideal y eficiente, como lo sugiere la famosa
fórmula E=mc2, la energía tendrá que obtenerse de la combinación de las tecnologías
existentes.
Una fuente de energía que apenas aprovechamos es el sol. Existen en la actualidad
varias tecnologías que tratan de echar mano de ésta poderosa fuente prácticamente
inagotable, pero el mayor problema que enfrentan es la intermitencia del sol, debido a la
alternancia del día y la noche, además de que muchas veces la radiación del sol se ve
bloqueada por el clima. La tecnología fotovoltaica aún es ineficiente y muy cara, mientras que
las plantas termosolares que usan la radiación del sol para calentar un fluido de trabajo son
muy complicadas y necesitan de enormes conjuntos de espejos llamados helióstatos, lo que las
hace poco practicas al necesitar continuo mantenimiento y limpieza.
Existe una tecnología relativamente nueva, de la cual ya se han obtenido resultados
experimentales prácticos y que promete aprovechar la energía del sol de una manera sencilla y
poderosa. Ésta tecnología es llamada Chimenea Solar.
Una Planta de Energía de Chimenea Solar usa 3 tecnologías ya bastante conocidas de
una manera novedosa. El primer elemento que la conforma es un colector solar que consiste
en una porción de terreno de forma circular, la cual está cubierta por una estructura de vidrio o
algún otro material transparente a manera de techo. La estructura está abierta a la atmósfera
en la periferia, desde donde la altura del techo se eleva hasta alcanzar un máximo en el centro
de la circunferencia de la misma, dónde se encuentra el segundo elemento que conforma a la
planta. En el centro del colector solar, se levanta una estructura cilíndrica hueca o chimenea,
que da nombre a la tecnología de Chimenea Solar. Cuándo la radiación solar incide en la
superficie del colector solar, eleva la temperatura del aire debajo de él haciéndolo más ligero
que el aire a temperatura ambiente. Debido a la diferencia de altura del techo del colector que
se hace más alto en el centro, el aire caliente se dirige hacia él, donde por efecto de la
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chimenea eleva su velocidad para después escapar por ella hacia la atmósfera. Aire a
temperatura ambiente entra al colector por su circunferencia abierta para reemplazar el aire
caliente que se eleva por la chimenea, completando así su ciclo. En la base de la chimenea se
encuentra el tercer elemento de la planta: una turbina eólica que aprovecha la energía presente
en el aire para accionar un generador y producir energía eléctrica.
El uso de la Chimenea Solar para producir energía eléctrica ya ha sido estudiado, las
ecuaciones que definen su funcionamiento, desarrolladas y los resultados de experimentos
prácticos, presentados. Debido a que su estudio formal comenzó en la década de los 80’s,
cuándo la crisis energética no era tan acusada como lo es hoy, la Chimenea Solar quedó como
una curiosidad de la ingeniería. En los últimos años, por las razones discutidas anteriormente,
ésta tecnología fue tomada en cuenta nuevamente, y planes serios se desarrollan para
construir grandes plantas generadoras con Chimenea Solar.
I. Justificación
Como se explicará más adelante, la Chimenea Solar se desarrolló inicialmente en
Europa, a través de un trabajo de colaboración entre investigadores de Alemania y España.
Debido a que el concepto es de “reciente” creación, la tecnología de Chimenea Solar se
encuentra confinada en unas cuantas regiones y países interesados en ella, siendo
prácticamente desconocida en regiones como Centro y Sur América, regiones que podrían
hacer uso de esta tecnología ya que cuentan con convenientes niveles de radiación solar. Por
lo tanto, surge la necesidad de difundir la tecnología de Chimenea Solar como una opción más
en el campo de las energías alternativas y darla a conocer en nuestra región en el entorno de
investigación que ofrece la Universidad Veracruzana.
II. Objetivo
El objetivo de este trabajo es presentar una descripción exhaustiva de la Chimenea
Solar y su aplicación para la generación de energía eléctrica. Dicha descripción es producto de
una investigación bibliográfica y recopilación de información disponible sobre el tema. No se
pretende demostrar la validez de la tecnología ni de los cálculos aquí presentados, los cuales
fueron extraídos de diversos artículos ya publicados. En cambio, se pretende que este trabajo
promueva el interés en la tecnología de la Chimenea Solar y fomente futuras investigaciones
para el mejoramiento de la tecnología y la aplicación de ésta en nuestra región.
III. Desarrollo del Trabajo
En el capítulo 1, titulado “Antecedentes Históricos”, se describen los precedentes de la
Chimenea Solar, diversas ideas que surgieron desde principios del siglo XX con el fin de
extraer energía mecánica de una corriente ascendente de aire impulsado por energía solar. El
objeto de ésta sección no es el demostrar la viabilidad de las propuestas ni validar los cálculos
presentados, simplemente se expondrán los desarrollos de ingenieros que se interesaron en el
tema, y que invariablemente condujeron a los actuales proyectos que involucran a la Chimenea
Solar. Cada una de las propuestas es descrita con la profundidad que permiten los documentos
disponibles, que van desde artículos divulgativos y revistas, hasta libros y patentes.
A continuación, en el capítulo 2 titulado “Marco Teórico”, se expone la propuesta del
Doctor Jörg Schlaich, que es el objetivo de éste trabajo, y se analiza su funcionamiento según
los principios termodinámicos que lo rigen. Las fuentes de ésta sección son publicaciones del
propio Doctor Schlaich, así como publicaciones de científicos e ingenieros que al interesarse en
el tema, proponen métodos de análisis diferentes entre sí, pero que al final terminan por
validarse mutuamente. Se desarrolla una descripción del funcionamiento de la planta de
energía de Chimenea Solar y sus componentes principales, se analiza el ciclo termodinámico
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en el que ésta funciona y se presentan las ecuaciones que la rigen, así como el impacto que
tiene en el desempeño de la planta el variar sus parámetros de funcionamiento.
En seguida, en el capítulo 3 titulado “Aplicaciones de la Tecnología”, en el primer
apartado llamado “Aplicación en Campo”, se hace una reseña de la única planta de Chimenea
Solar construida hasta el momento: la planta prototipo en Manzanares, España. En este
apartado se describen las características de la planta, su operación y resultados de las pruebas
que se llevaron a cabo durante su funcionamiento. A continuación, en el segundo apartado
llamado “Variantes Técnicas de la Aplicación”, se describen algunas de las variaciones que se
han desarrollado alrededor de la idea de la chimenea solar. Se presentan solamente las ideas
de las cuales se tiene información documentada y detallada al respecto, ya que existen
infinidad de otras ideas que, aunque interesantes, no poseen la formalidad necesaria para su
descripción en este trabajo.
Posteriormente, en el capítulo 4 titulado “Perspectivas de la Tecnología”, se habla
sobre los planes que existen para desarrollar plantas comerciales de Chimenea Solar. En este
capítulo la empresa EnviroMission tiene un papel protagónico, ya que esta compañía es la
actual poseedora de la licencia a nivel mundial de la tecnología de la Chimenea Solar. Primero
se describe el plan de desarrollo para una planta localizada en el desierto cerca de Mildura, en
Australia. Se describen las características del proyecto, su localización y dimensiones, así
como los problemas y ventajas que el proyecto tendría en el sitio en cuestión. En el mismo
capítulo se explican las razones por las que el proyecto de Australia se encuentra estancado
hasta la fecha y se exponen nuevos proyectos para la construcción de Chimeneas Solares en
Estados Unidos, con características muy similares al proyecto de Australia.
Finalmente en el capítulo 6 se presentan las conclusiones con los resultados de este
trabajo.
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1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
En ésta sección, se describirán los precedentes de la chimenea solar, diversas ideas
que surgieron desde principios del siglo XX con el fin de extraer energía mecánica de una
corriente ascendente de aire impulsado por energía solar. El objeto de ésta sección no es el
demostrar la viabilidad de las propuestas ni validar los cálculos presentados, simplemente se
expondrán los desarrollos de ingenieros que se interesaron en el tema, y que invariablemente
condujeron a los actuales proyectos que involucran a la Chimenea Solar. Cada una de las
propuestas es descrita con la profundidad que permiten los documentos disponibles, que van
desde artículos divulgativos y revistas, hasta libros y patentes. La última mención corresponde
a la propuesta actual de Chimenea Solar para la generación de energía eléctrica, la cuál es la
protagonista de éste trabajo, mencionándose solamente su desarrollo general pues su
funcionamiento será abordado en la siguiente sección: Marco Teórico.
Como otras muchas grandes ideas, la Chimenea Solar es un conjunto de tecnologías
ya conocidas a las que se les ha dado un uso diferente. Las tecnologías básicas que
conforman una planta de energía de Chimenea Solar son:
Colector solar o invernadero.
Chimenea
Turbina
Un colector solar o invernadero es una construcción de material transparente que eleva
la temperatura del aire en su interior absorbiendo la energía radiante del sol. Su uso más
común es en la agricultura y jardinería, ya que al mantener una temperatura controlada
beneficia el crecimiento de plantas en su interior, aunque también se aprovecha en la
construcción de viviendas y edificios para mantener elevada la temperatura interior en los
lugares fríos.
Las chimeneas se conocen desde tiempos más antiguos. Una chimenea es un sistema
usado para evacuar gases calientes y humos de combustión de lugares como hornos, estufas,
fogones u hogares de calderas. Típicamente tienen la forma de un cilindro largo que va
verticalmente desde el lugar donde se generan los gases a evacuar hasta otro lugar alto a
donde los gases se desechan. Ya desde la antigüedad, las viviendas se construían con un
calefactor interior donde se quemaba leña en los meses fríos. La necesidad de evacuar los
gases de la combustión se hizo evidente y la chimenea aprovecha la corriente ascendente que
provoca el aire caliente para desechar los gases. Tiempo después el mismo principio fue
utilizado en fábricas y transportes. Es un dispositivo muy simple, pero funcional.
La turbina de aire, o neumática, se utilizó primeramente en los molinos de granos, por
lo cual son conocidas popularmente como molinos de viento. El molino de viento clásico
consiste en una estructura de piedra de forma cilíndrica o troncocónica, de base circular, en
cuya parte superior hay unas aspas que transforman la energía del viento en energía
mecánica. Esta parte superior, que además sirve de cubierta, es un entramado de madera que
gira sobre el tambor de piedra para orientar las aspas según la dirección del viento, mediante
un largo madero, llamado gobierno, exterior al edificio, que se amarra a unos hitos anclados al
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suelo. Las aspas mueven un juego de engranajes que tienen por objetivo final mover la piedra
del monino, o en otros casos, extraer agua del subsuelo.
Aunque estos tres mecanismos son extensamente conocidos y utilizados desde hace
mucho tiempo, no fue sino hasta principios del siglo 20 que surgió la idea de utilizarlos en un
solo dispositivo con un fin común.
1.1. Chimenea Solar de Isidoro Cabanyes
El ingeniero Eduardo Lorenzo, del Instituto de Energía Solar de la Universidad
Politécnica de Madrid, se ha dado a la tarea de recopilar información sobre los personajes
pioneros en energía solar en España. Es a través de su artículo llamado “De los Archivos
Históricos de la Energía Solar” que conocemos la primera referencia a la tecnología de
Chimenea Solar.
El ingeniero Eduardo Lorenzo cuenta que el 25 de Agosto de 1903, la revista española
“La Energía Eléctrica, Revista General de Electricidad y Sus Aplicaciones” publicó un artículo
del coronel de artillería Isidoro Cabanyes, titulado “Proyecto de Motor Solar” en el que se
describe un dispositivo donde se puede encontrar claramente el inicio de la historia de la
Chimenea Solar. En él, Cabanyes primeramente habla de las máquinas solares anteriores a su
propuesta y las describe como “poco útiles”:
“Concibamos una gran caja de cristal herméticamente cerrada; bajo la caja
transparente, otra de hierro pintada de negro, y dentro de esta última caja, aire o agua, medios
que, una vez elevados a alta temperatura pasen a cualquiera de las máquinas ya conocidas de
aire caliente o de vapor de agua y en ella funcionen; y todo ello, caja transparente y caja de
hierro, sobre un piso de cristal machacado; agréguese a tal mecanismo pantallas o reflectores,
que recojan el sol oblicuo y lo dirijan a la caja de cristal y tendráse idea de lo que son todas las
máquinas solares inventadas hasta el día, sin que ninguna haya podido alcanzar la menor
importancia industrial, ni más potencia que la de algunos kilográmetros…”
Fig. 1. Fragmento de la Revista General de Electricidad y sus Aplicaciones.
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Después de esto, Cabanyes describe su ingenio propuesto, el “Motor Solar”, que
consiste en un colector solar para calentar el aire que después subirá por una chimenea, dentro
de la cual se encuentra una rueda de paletas, o molino de viento, de la cual se extraerá energía
mecánica para diversos propósitos. Cabanyes describe así los componentes de su invento,
comenzando por el colector solar:
“…si a la superficie cónica que constituye el pedestal de la figura, se le han hecho
pequeños y numerosos taladros en toda su extensión, y después de pintada de negro, se le ha
expuesto a la acción inmediata del sol particularmente en los meses y horas de más calor, al
caldearse la masa metálica, el aire exterior próximo a dicha superficie, pasará a través de los
taladros de que se halla tapizada, a impulso del tiraje espontáneo del conjunto, y quedará así
constituida una corriente de aire dentro del tubo, tanto más intensa, cuánto más alta sea la
chimenea y mayor la temperatura del sol en el momento considerado, todo naturalmente dentro
de determinadas dimensiones y disposición de la superficie de caldeo y sección y cota de la
chimenea.”
Fig. 2. Ilustración de la propuesta de Cabanyes en la Revista General de Electricidad y
sus Aplicaciones.
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Para aprovechar la corriente ascensional de la que habla, describe un generador eólico
destinado a producir trabajo mecánico: “…si en cualquiera región del interior del tubo,
montamos horizontalmente una rueda de las conocidas con el nombre de “molino de viento”,
esa rueda se pondrá en marcha en las horas de calor intenso por virtud de dicha corriente
ascendente de aire, de un modo semejante a como lo hiciera si la rueda se hubiese establecido
al aire libre, de la manera común y ordinaria, como se hace en la instalación de esta clase de
aparatos.”
Cabanyes se aventura a sugerir las medidas idóneas para el Motor Solar: “… la
constitución más adecuada para la superficie de caldeo es, sin género alguno de duda, un
enrejado compacto de alambre de hierro de 1.5 a 2 mm de diámetro, cuyas mallas cuadradas
tengan de 1.5 a 2 mm de lado. La sección recta de la chimenea deberá tener con la superficie
de caldeo las relaciones de 1/12, 1/15 y 1/18, según la altura de aquella, sea de 20, 25 o 30
metros…”. Después Cabanyes enumera algunas de las ventajas de su invento: “… el aparato
no necesita, en consecuencia, personal alguno a su servicio, ni los vientos huracanados lo
molestan, pues además de hallarse la rueda en clausura, el conjunto, por su propia
construcción, modera y regulariza la acción violenta de aquél… El entretenimiento de éstos
motores se reduce a un poco de aceite para los cojinetes, sin que el coste de adquisición se
halle desproporcionado…”. La mejor aplicación para su invento era a su parecer, la carga de
baterías: “… la acción combinada del sol y del viento permite suponer que el aparato
funcionará unas 8 horas diarias por término medio todo el año, desarrollando un trabajo casi
siempre adecuado para la carga de acumuladores eléctricos”.
Por último, Cabanyes expone casos para ejemplificar sus cálculos y predicciones:
“Como ejemplo extraordinario, pero sin la menor dificultad en su construcción, supongamos
una chimenea con una sección recta de 12 x 12 metros, necesitamos alcanzar 65 caballos de
fuerza de 75 kilográmetros cada uno, y preguntamos: ¿Cuál será la altura de la chimenea?
Respuesta: 63.87 metros”.
Éste artículo es lo último que se supo del diseño de Cabanyes, lo que hace pensar que
no tuvo oportunidad de construirlo. Sus proyecciones son bastante optimistas y algo ingenuas,
y en el artículo que él escribió para la revista española se puede ver que Cabanyes confundía
algunos términos como fuerza, trabajo y potencia, pero la importancia de su diseño está en su
creatividad y en las futuras implicaciones que tendría su idea en las energías renovables.
Ninguna publicación referente a los proyectos actuales de Chimeneas Solares
mencionan a Cabanyes y su idea, lo que hace suponer que éste pasaje de la historia de la
tecnología es desconocido para los ingenieros que trabajan en éstos proyectos.
1.2. Chimenea Solar de Bernard Dubos
El escritor y científico Willy Ley, famoso por sus estudios sobre cohetes y el vuelo
espacial, (Ley muere el 24 de junio de 1969, un mes antes de que el primer ser humano pisara
la luna), describe en su libro “Engineer’s Dream” de 1954, la idea desarrollada por el científico
francés Bernard Dubos. Dubos envió su idea a la Academia Francesa de Ciencias en 1926. La
academia recomendó que la idea de Dubos fuera realizada, especialmente en el norte de
África, en la región de influencia francesa para ser precisos, donde se carecía de recursos
combustibles y se necesitaba de energía para su desarrollo. De hecho, Dubos tenía en mente
las Montañas Atlas de África cuándo desarrolló su idea.
Dubos decía que para obtener un poderoso viento vertical aprovechable, se necesita
una llanura desértica calurosa, debajo de un mayormente despejado cielo, y en las
proximidades de ésta, montañas razonablemente altas, cuyas paredes debían ser lo más
verticales posibles. En la llanura, la presión atmosférica será la presión de una columna de 760
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mm de mercurio, mientras que en lo alto de una montaña, para la cual Dubos supone una
altura de 6600 pies sobre el suelo, unos 2000 metros, la presión será de alrededor de 595 mm
de mercurio. Aparte de la diferencia de presión, más importante es la diferencia de
temperaturas, pues en lo alto de la montaña fluctuará entre 30° y 40° Fahrenheit (-1° y 4.4°
Celsius), mientras que al nivel del suelo del desierto se encontrará entre 100° y 110°
Fahrenheit (37.7° y 43.3° Celsius).
Normalmente el aire entre el suelo y la cima de la montaña estará dividido en capas
con temperaturas y presiones que disminuyen lentamente al aumentar la altura, pero si “se
abre una “avenida” para el aire caliente, usando el equivalente de una enorme chimenea, una
tormenta con una velocidad sin paralelo en la naturaleza se desarrollará dentro de la chimenea,
pulcramente empacada dentro del tubo y lista para su explotación. Se pueden esperar
velocidades alrededor de 180 pies por segundo (55 metros por segundo); el volumen de aire
moviéndose a esta velocidad depende mayormente del diámetro de la chimenea”.
La turbina de aire que aproveche la corriente ascendente tendría que estar localizada al
final de la chimenea, en la cima de la montaña. La montaña también soportaría la chimenea,
que estaría anclada a su ladera. Para hacer efectivo el esquema, el suministro de aire caliente
debe ser estable y no debe perderse calor a través de las paredes de la chimenea. Para lograr
un buen suministro de aire caliente, Dubos dice que la parte inferior de la chimenea debe
ensancharse para entrar en una estructura tipo invernadero. El aislamiento necesario en la
chimenea se conseguiría si ésta se fabricara de cemento poroso, que es un material ligero y
buen aislante.
La propuesta de Dubos fue abandonada después de concluir que era demasiado
costosa.
Fig. 3. Ilustración de la propuesta de Dubos.
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Las tecnologías descritas anteriormente funcionan bajo el principio de una corriente
ascendente simple, igual que la protagonista de este trabajo, la Chimenea Solar, pero pronto se
desarrolló una idea que daría lugar a una temprana variante en la tecnología del concepto
original, basada en una corriente ascendente en espiral, del tipo de un tornado.
1.3. Generador de Ciclones de Henri Nazare
El militar francés Edgard Henri Nazare, ingeniero aeronáutico especializado en
mecánica de fluidos, bajo el mando del general Suffrin Hébert, trabajó durante los años de
1939 a 1945 en perfiles de alas de aviones en la Oficina de Investigación Aeronáutica de Argel,
Argelia, de la cual fue cofundador. En las proximidades del desierto del Sahara tuvo la
oportunidad de observar y estudiar el fenómeno conocido como “demonio de polvo”, del cual
tomó mediciones con rigor científico que desembocaron en el desarrollo de una idea de
tecnología para aprovecharlos.
Un demonio de polvo es un fuerte torbellino, bien formado, y de relativamente larga
duración, que tiene un tamaño que va desde pequeño (medio metro de ancho por unos pocos
metros de altura) a grande (más de 10 metros de ancho y 1000 metros de alto). El movimiento
vertical primario es hacia arriba. Los demonios de polvo son generalmente inocuos, pero en
raras ocasiones alguno puede crecer lo suficiente para amenazar personas y propiedades.
Son comparables a los tornados en el hecho de que ambos son fenómenos
meteorológicos que consisten en una columna de aire en rotación orientada verticalmente. La
mayoría de los tornados están asociados con los mesociclones al dorso de una supercélula de
tormenta, mientras que los demonios de polvo se forman como un remolino de corrientes de
aire hacia arriba bajo condiciones soleadas durante tiempo calmo y despejado, y raramente
llegan a la intensidad de un tornado.
Los diablos de polvo se forman cuando el aire caliente cerca de la superficie del suelo
asciende rápidamente a través de un pequeño bolsillo de aire más frío, de baja presión encima
de él. Si las condiciones son las adecuadas el aire puede empezar a rotar. Como el aire sube
rápidamente, la columna de aire cálido se extiende verticalmente y se estrecha
horizontalmente, causando la intensificación del efecto de rotación debido al principio físico de
conservación del momento angular. El flujo secundario en el demonio de polvo hace que más
aire caliente se desplace veloz al fondo del nuevo vórtice formado. Cuanto más aire caliente se
precipita hacia el vórtice en desarrollo para reemplazar el aire que asciende, el efecto de giro
llega a ser más intenso y autosostenido. Un demonio de polvo, totalmente formado, es una
chimenea parecida a un embudo por la cual el aire caliente se mueve, tanto hacia arriba como
en círculo. Como el aire caliente sube, se enfría, pierde su flotabilidad y finalmente deja de
elevarse. Cuando este se eleva, desplaza el aire frío que desciende fuera del núcleo del
vórtice. Este aire frío que retorna actúa como equilibrante contra la pared externa de aire
caliente que gira y mantiene el sistema estable.
El demonio de polvo se alimenta de aire caliente de la superficie del suelo, pero
eventualmente llega a succionar aire más frío de los alrededores, lo cual tiene un efecto
dramático en el fenómeno, haciendo que se disipe en segundos y desaparezca. Esto ocurre
cuando el remolino no se mueve suficientemente rápido y agota el aire caliente de una zona, o
cuándo entra en un área con aire más frío. Para favorecer la formación y mantenimiento de un
demonio de polvo, ciertas condiciones son necesarias: terrenos planos estériles, desérticos o
asfaltados que facilitan el movimiento horizontal del remolino y permiten la entrada de aire
caliente a la base; cielos despejados y muy soleados para calentar el aire superficial que
alimentará al vórtice, (finalmente, es la energía solar la que provoca el fenómeno); y una
atmósfera con nulos o débiles vientos y aire frío, ya que es la diferencia de temperatura entre el
aire superficial y el atmosférico lo que hace subir el aire.
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Figs. 4 y 5. Demonios de polvo.
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Cuándo Nazare observó el fenómeno y vio lo fuertes que podían ser estos demonios,
imaginó que de alguna manera se podrían aprovechar para producir trabajo y eventualmente
potencia eléctrica. Debido a que el fenómeno necesita condiciones específicas para formarse y
mantenerse, era obvio que se tendrían que recrear éstas condiciones para poder obtener uno
de éstos pequeños tornados y lo más importante, mantenerlo y controlarlo.
El 3 de agosto de 1964, Nazare tramitó en Paris, Francia, una solicitud de patente que
le fue concedida el 18 de abril de 1966, con el título “Générateur de cyclones artificiels” o
“Generador de ciclones artificiales”.
Fig. 6. Fragmento de la patente de Nazare.
Nazare describe su invento como una torre de vacío, al interior de la cual es posible,
mediante los dispositivos aerodinámicos convenientes, engendrar el fenómeno de un ciclón con
una potencia tal que justifique la construcción del dispositivo. La torre debería tener de 100 a
300 metros de altura o más y su forma sería aproximadamente la de una tobera de Laval o un
tubo de Venturi, siendo ancha en la base, contrayéndose después y volviendo a ensancharse a
la salida. Para obtener una diferencia de temperatura entre la entrada en la base y la salida, se
coloca la torre sobre una superficie elevada del suelo (Nazare no especifica el material, solo
menciona una superficie) de gran área que recibirá la radiación solar, haciendo las veces de
colector solar, que calentará el aire entre el suelo y la superficie del dispositivo. En éste espacio
se colocan deflectores curvos, fijos o variables, que dirigirán el flujo de aire ascendente a la
entrada de la torre en la base, siguiendo una espiral de vació. La contracción de la torre tiene
por objetivo aumentar la energía cinética del flujo de aire, y su diseño debe ser tal que reduzca
las turbulencias provocadas por la reducción del área. Nazare advierte que estas condiciones
son válidas sólo para velocidades de flujo menores a Mach 0.7, ya que velocidades mayores
darán un flujo transónico, donde los perfiles característicos son difíciles de establecer. Una vez
establecido el flujo, se puede utilizar una hélice o una turbina para extraer la energía.
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Fig. 7. Esquema del generador de Nazare, como aparece en la patente.
Nazare encontró que mientras más alta sea la torre, más económico será el kilowatt
instalado, ya que la potencia disponible y la regularidad del rendimiento energético aumentan
más rápido que las relaciones volumétricas de la instalación. Nazare entonces calcula la
potencia teórica del sistema con la siguiente expresión:
…...(1)
Donde:
Wth es la potencia teórica.
3
es la densidad del aire, alrededor de 1.3 kg/m .
S2 es la sección transversal del cuello.
V es la velocidad del flujo de aire en la contracción, y según el autor, se puede tomar como el
promedio de las velocidades de entrada y salida = (V 0 + V1) / 2.
E = V0 / V1 es la relación entre las velocidades de entrada y salida del dispositivo receptor.
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Según la descripción de Nazare, la velocidad del flujo de aire es función de las
temperaturas exterior e interior de la torre, de su altura, de las relaciones entre las secciones
transversales, de las características del flujo, de las caídas de presión y también de la energía
cinética del ciclón, donde intervienen la fuerza centrífuga, las fuerzas de Coriolis, las
características del vórtice central de vacío, etc. Estos parámetros quedan concentrados en el
coeficiente
Éste coeficiente no puede ser determinado exactamente, sin una investigación
profunda apropiada, por lo cual, Nazare estima un máximo de 0.9 para el valor del coeficiente.
A partir de los principios de termodinámica y mecánica de fluidos, Nazare obtiene para
la velocidad V:
……(2)
Donde:
S1/S2 es la relación entre las secciones de entrada y salida de la contracción.
G es la aceleración de la gravedad.
H es la altura de la torre.
es el coeficiente de dilatación del aire: 0.00366.
t es la temperatura en la contracción.
es la temperatura media exterior, en la parte superior de la torre.
Para reducir el número de parámetros en la expresión matemática, se utilizará uno
nuevo, en el cuál quedarán condensados los términos referentes a las temperaturas. Nazare
presenta entonces una tabla donde enlista una primera serie de cálculos, para seis casos
diferentes de temperaturas en el sistema:
Tabla 1. Parámetros de temperatura para 6 casos diferentes.
El autor toma la relación S 1/S2 como una constante de diseño, con valor de 10. Con
éstos valores, simplifica aún más su expresión matemática:
…...(3)
……………………………(4)
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Se presenta entonces una nueva tabla con los valores calculados de velocidad para los 6
casos de diferentes temperaturas y además se comparan para tres casos de altura de la torre:
50, 100 y 300 metros:
Tabla 2. Parámetros de velocidad para 6 casos diferentes.
La potencia teórica W th debe ser reducida a la potencia útil W u, Nazare considera la
potencia útil como un 76% de la potencia teórica, debido a las pérdidas mecánicas. Aplicando
ecuaciones de continuidad para la masa de aire, se relacionan las velocidades de entrada,
media y salida de la torra, además de la potencia útil. Nazare presenta los resultados del
cálculo por partes en otra tabla:
Tabla 3. Parámetros de potencia para 6 casos diferentes.
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Se presentan los resultados en forma de 2 gráficas, la primera muestra la velocidad de
flujo del aire en la contracción, en función de las temperaturas a la entrada y salida de la torre:
Fig. 8. Gráfica de las diferencias de temperatura contra velocidades obtenidas.
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En la segunda gráfica, se muestra la potencia neta teórica en función de las diferencias
de temperatura:
Fig. 9. Gráfica de la potencia neta teórica obtenida para las diferentes configuraciones.
Nazare concluye entonces que su dispositivo es funcional y que es capaz de
suministrar grandes potencias. Según sus cálculos, una torre de 300 metros de altura, una
temperatura de 75° centígrados en la base y 40° centígrados a la salida, y una sección
transversal a la salida de 700 m 2, desarrollaría una potencia de 720 megawatts, una potencia
muy importante para una planta de energía, lo que hace a la propuesta muy atractiva, si se
toma en cuenta que no necesita combustible alguno. Además, Nazare apunta acertadamente a
los parámetros más importantes de éstos dispositivos: la altura de la torre y la diferencia de
temperaturas; mientras más alta sea la torre y mayor la diferencia de temperaturas, mayor será
la potencia obtenida.
Aún con éstos resultados, la propuesta de Nazare es muy optimista, si no ingenua. De
un análisis de sus cálculos, se puede ver que no tomó en cuenta la magnitud del flujo de aire
caliente que se requiere para mantener el dispositivo en funcionamiento, o si la energía solar
sería suficiente para elevar la temperatura del aire que, circulando a las velocidades descritas
por Nazare, absorbería gran cantidad de energía calorífica. Por estas razones, parece difícil
que la torre alcance un estado estable y de régimen permanente. No hay noticias de que
Nazare haya construido su torre, y de haberlo hecho seguramente se enfrentó a estos
problemas. Su propuesta quedó olvidada hasta mucho tiempo después, hasta 1970, cuándo un
ingeniero canadiense publica sus primeros trabajos, con una propuesta que es una evolución
del diseño de Nazare. Éste diseño se analizará más adelante, en la sección Variantes Técnicas
de la Aplicación.
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1.4. Chimenea Solar de Jörg Schlaich
El doctor alemán Jörg Schlaich estudió arquitectura e ingeniería civil de 1953 a 1955 en
la Universidad de Stuttgart antes de completar sus estudios en la Universidad Técnica de Berlín
en 1959. En 1963 se une a la firma Leonhardt & Andrä, una firma de ingeniería de la cual se
hizo socio y con ésta firma fue el responsable del Estadio Olímpico de Munich. Permanece con
Leonhardt & Andrä hasta 1969. En 1974 se hace académico de la Universidad de Stuttgart y en
1980 funda su propia firma, Schlaich Bergermann & Partner, una consultora en ingeniería
estructural. Aun antes de fundar Schlaich Bergermann & Partner, el profesor Schlaich y su
equipo estuvieron interesados en las aplicaciones de la energía solar a gran escala y a finales
de los 70’s y principios de los 80’s el equipo desarrolló una detallada propuesta para una
Chimenea Solar, con la cual eventualmente obtuvieron los fondos para un prototipo, de parte
del Ministerio Federal de Alemania para la Investigación y la Tecnología. El proyecto de
Schlaich desembocó en la construcción de una planta experimental, la primera planta funcional
de Chimenea Solar, en la localidad de Manzanares, España. La planta de Manzanares tuvo por
objetivo demostrar la viabilidad de la propuesta, así como recabar datos e información
experimental para conocer mejor su desempeño y compararlos con los modelos
computacionales. La planta, aunque pequeña (su capacidad nominal fue de 50 kW), demostró
ser todo un éxito, sentando las bases para futuros proyectos que, al día de hoy, siguen en
etapa de desarrollo. De la planta de Manzanares y los otros proyectos se hablará
detenidamente en las siguientes secciones; Aplicaciones en distintos sitios y Perspectivas de la
tecnología, respectivamente. La propuesta de Schlaich es el objeto de estudio del presente
trabajo, por lo que se profundizará en su análisis en la sección Marco Teórico.
El diseño consta principalmente de 3 componentes: una estructura tipo invernadero
sobre una gran extensión de terreno, que funciona cómo colector solar, en el centro de ésta
estructura se alza una chimenea de la mayor altura posible, y en la base de la chimenea se
instala una o varias turbinas eólicas. Por efecto del invernadero, el aire que se encuentra
dentro de la estructura gana energía y se calienta, debido a que la estructura eleva su altura
hacia su centro, dónde se encuentra la entrada de la chimenea, el aire caliente se concentra en
ese punto y ya que el aire caliente es más ligero que el aire circundante, se crea una corriente
ascendente que se elevará por la chimenea. Entonces, por medio de una turbina, se puede
extraer trabajo mecánico del dispositivo para mover un generador eléctrico.
Schlaich proclama que la solución de los problemas energéticos y ambientales del
mundo está en el aprovechamiento a gran escala de la energía solar, y presenta a su
propuesta de chimenea solar como la opción que puede enfrentar el reto. Según el autor, la
chimenea resulta idónea al contar con múltiples ventajas sobre las energías renovables, como
lo son la necesidad de poco mantenimiento, la simplicidad y bajo costo de su operación, sin
uso de ningún tipo de combustible, sin uso de agua para procesos de enfriamiento,
aprovechamiento de la radiación difusa, entre otras más.
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2. MARCO TEÓRICO
En ésta sección se expondrá la propuesta del Doctor Jörg Schlaich, que es el objetivo
de éste trabajo, y se analizará su funcionaminto según los principios termodinámicos que lo
rigen. Las fuentes de ésta sección son publicaciones del propio Dorctor Schlaich, así como
publicaciones de científicos e ingenieros que al interesarse en el tema, proponen métodos de
análisis un tanto diferentes entre sí, pero que al final terminan por validarse mutuamente. La
sigueinte figura muestra el funcionamiento de una planta de chimenea solar.
Fig. 10. Esquema de funcionamiento de una chimenea solar.
La instalación se compone de 3 elementos básicos: un colector solar, una chimenea y
una o varias turbinas. El aire es calentado por radiación solar debajo de una estructura techada
circular de material transparente o translúcido, abierta a la atmósfera en su perímetro. El techo
y el suelo debajo forman el colector solar, que funciona como un invernadero. En el centro de la
estructura techada se encuentra una torre vertical, cilíndrica y hueca, con grandes entradas de
aire en su base que la comunican con el interior del colector. La unión entre el techo del
colector y la base de la torre es hermética. Como el aire caliente dentro del colector es más
ligero que el aire frío de los alrededores, éste se eleva dentro de la chimenea, creando un
efecto de succión que arrastra más aire dentro del colector, el cual se calienta y continúa el
ciclo. La radiación solar entonces provoca una corriente de aire ascendente dentro de la
chimenea. La energía contenida en ésta corriente se convierte en energía mecánica mediante
turbinas en la base de la torre, y luego en energía eléctrica mediante generadores
convencionales. Es posible alcanzar una operación continua las 24 horas del día, colocando
tubos o contenedores con agua de manera ajustada en el suelo debajo del techo del colector.
Los contenedores estarían sellados, de manera que sólo se necesitaría llenarlos con agua una
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sola vez. El agua contenida absorbe parte de la energía calorífica de radiación durante el día, y
la libera durante la noche.
2.1. Colector Solar
El aire caliente para la planta es producido por el efecto invernadero dentro de un
colector de aire simple, que consiste de una estructura techada de vidrio o plástico que se
extiende horizontalmente cubriendo una gran área de terreno. La estructura se encuentra
abierta a la atmósfera en su perímetro para que el aire pueda fluir hacia su interior. La cubierta
de vidrio o plástico del techo del colector es transparente para la radiación solar (de 280 a 2500
nanómetros de longitud de onda), la cual lo atraviesa e incide en el suelo, calentándolo. Una
vez que el suelo se calienta, éste se convierte en un cuerpo emisor de radiación infrarroja (de
5000 a 35000 nanómetros de longitud de onda). La radiación infrarroja no puede atravesar la
cubierta del colector y es reflejada de regreso al suelo, el cuál se calienta aún más. Por un
proceso de convección, el suelo transfiere parte de su calor al aire que se encuentra por
encima de él. El aire entonces eleva su temperatura y adquiere elevación, ya que es más ligero
que el aire circundante fuera del colector que se encuentra a menor temperatura. La altura del
techo se incrementa hacia el centro, donde se encuentra la base de la chimenea, de modo que
el aire caliente es dirigido por un movimiento vertical hacia el centro de la estructura con
mínimas pérdidas por fricción. Una ventaja del colector es que puede aprovechar tanto el
componente de radiación solar directa, como el componente de radiación solar difusa, por lo
tanto puede funcionar satisfactoriamente aún con cielos nublados.
El Doctor Schlaich señala que un colector con estas características puede convertir
más del 70% de la energía de radiación solar en energía calorífica, dependiendo de las
características del aire; con un promedio anual típico de 50%. Además, el suelo debajo del
colector provee de un almacenamiento térmico natural, sin costo alguno.
Cómo se puede inferir, es ventajoso incrementar la eficiencia del colector, aumentando
la capacidad del techo del colector para retener el calor ganado, ya que al aumentar la
temperatura del aire dentro del colector, también aumentan las pérdidas por transferencia de
calor al medio ambiente debido a un mayor diferencial de temperatura entre ambos medios.
Los vidrios tienen muy poca resistencia al paso del calor por transmisión, de hecho, para el
acristalamiento sencillo, el coeficiente de transmisión térmica se considera nulo y solo se tiene
en cuenta la suma de las resistencias superficiales, de modo que al tener dos temperaturas
distintas a cada lado, hay notables pérdidas por transmisión (el vidrio tiene una transmitancia U
= 6,4 W/m²·K, aun mayor si está en posición inclinada respecto a la vertical). El resultado es
que, a mayor temperatura, menor será el efecto de retención del calor, es decir que al
aumentar la temperatura aumentarán las pérdidas disminuyendo el rendimiento del sistema.
Estas pérdidas se pueden reducir si se coloca una segunda capa de vidrio o plástico en el
techo del colector. El uso de material extra aumentará el costo de construcción de la estructura,
por lo que la segunda capa sólo cubrirá el área central, dónde la temperatura del aire es mayor.
El tamaño del área cubierta por la segunda capa quedará determinado por un análisis de costobeneficio.
Inevitablemente el polvo y la suciedad se acumularán sobre el techo del colector, lo que
reducirá su eficiencia, pero la experiencia en la planta prototipo de Manzanares, España,
(sobre la cual se hablará en la sección Aplicaciones en distintos sitios), que se ubicaba en una
zona semidesértica, mostró que el colector es bastante insensible a la suciedad y aún las
pocas lluvias que ocurrían en la zona eran suficientes para que el colector se mantuviera
limpio.
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Como un beneficio extra, la zona más externa del colector puede ser aprovechada para
cultivar plantas y vegetales, ya que después de todo es un invernadero, sin ningún costo extra
y sin perjudicar significativamente el rendimiento de la planta.
2.2. Chimenea
La chimenea es la máquina térmica de la planta, con una fuente de calor a alta
temperatura y un sumidero de calor a baja temperatura. Es un tubo de presión comparable con
el tubo de descarga de una planta hidroeléctrica, con bajas pérdidas por fricción gracias a su
favorable razón de superficie-volumen. La velocidad de la corriente ascendente de aire dentro
de la chimenea es aproximadamente proporcional al aumento de temperatura T en el colector
y a la altura de la chimenea. En una planta a gran escala, de varios megawatts, el colector
solar eleva la temperatura del aire alrededor de 30 a 35 K. Esto produce una velocidad de la
corriente de aire ascendente de alrededor de 15 m/s en las condiciones de salida de potencia
nominal de la planta, ya que la mayor parte del potencial de presión disponible es usado por la
turbina y el aire no acelera demasiado. Por lo tanto, es posible entrar a una planta en plena
operación sin peligro por las altas velocidades del aire.
La eficiencia de la chimenea es prácticamente independiente del aumento de la
temperatura del aire en el colector; está determinada esencialmente por la temperatura exterior
T0 a nivel del suelo (mientras más baja sea ésta temperatura, mayor eficiencia) y por la altura
de la chimenea Hc (mientras más alta sea la chimenea, mayor eficiencia). Cabe aclarar que
aunque T no influye en la eficiencia de la chimenea, el aumento de temperatura en el colector
es determinante para la cantidad de energía que el colector puede entregar a la chimenea. Así,
aunque la energía disponible sea poca, la chimenea será capaz de transformarla de manera
satisfactoria si posee las dimensiones adecuadas. Aún con éstas características, la eficiencia
de la chimenea es relativamente baja si se compara con las eficiencias del colector y de la
turbina. Es por esto que la altura de la chimenea es tan importante, y la chimenea debe ser lo
más alta posible, como se demostrará más adelante. Por ejemplo, una chimenea con una
altura de 1000 metros tendrá una eficiencia de poco más del 3%.
2.3. Tu rbinas
De la corriente de aire en la chimenea se puede obtener una salida mecánica en forma
de energía rotacional con el uso de una o varias turbinas. En una planta de chimenea solar las
turbinas no funcionan aprovechando la velocidad del aire, como en los aerogeneradores al aire
libre, en cambio aprovechan la presión del viento, como en una estación hidroeléctrica, donde
la presión estática del fluido es convertida en energía rotacional por medio de turbinas
cerradas.
La potencia específica entregada por una turbina de presión, (potencia entregada por
unidad de área que barre el rotor), es aproximadamente 8 veces más grande que la que
entregaría una turbina de velocidad de las mismas dimensiones. Las velocidades del aire en la
entrada y en la salida de la turbina son similares. La potencia de salida alcanzada es
proporcional al producto del flujo de volumen de aire por unidad de tiempo (gasto volumétrico) y
el diferencial de presión que actúa sobre la turbina. El objetivo del sistema de control de la
turbina es maximizar este producto para alcanzar una máxima entrega de potencia bajo todas
las condiciones de operación posibles. El ángulo de ataque de la hoja del rotor es ajustado
durante la operación de la turbina para obtener la máxima salida de potencia conforme la
velocidad y volumen del aire varían. Si los lados planos de las hojas del rotor se encuentran
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perpendiculares al flujo de aire, el aire no podrá pasar a través de la turbina y ésta no girará. Si
las hojas del rotor se colocan paralelas al flujo de aire, este pasará a través de la turbina sin
impedimento alguno y sin caída de presión, por lo que el rotor no girará y no se generará
potencia alguna. Por lo tanto, el punto óptimo de funcionamiento se encuentra en un lugar entre
estos dos extremos. Se sabe que la salida de potencia es máxima cuándo la caída de presión
en la turbina es de alrededor de 2/3 del diferencial de presión total disponible. La fracción
óptima depende de las características de la planta, como las pérdidas de presión por fricción.
En una chimenea solar no existen cargas dinámicas críticas que actúen sobre las
turbinas, como ocurre en los aerogeneradores al aire libre debido a la intermitencia del viento.
Por su naturaleza, el colector solar se comporta como un búfer para el suministro de aire
caliente, con un tiempo de respuesta lento, lo que significa que si a lo largo del día los
parámetros de funcionamiento cambian, cómo la temperatura y presión del aire atmosférico y
obviamente la radiación solar, los cambios de velocidad y presión en el aire que suministra el
colector serán de manera lenta y gradual y el sistema de control de la turbina no tendrá que
enfrentarse a cambios rápidos e intermitentes, lo que disminuye el estrés de funcionamiento y
alarga la vida útil de la instalación.
La turbina representa un obstáculo para el libre flujo de la corriente de aire, lo que se
traduce en un mayor tiempo de residencia del aire en el colector. Si el aire pasa más tiempo
dentro del colector, entonces su aumento de temperatura es mayor, además, se almacena más
energía térmica en el suelo que beneficia al funcionamiento nocturno de la planta.
Las turbinas siempre se colocan en la base de la chimenea. Existen varias opciones
para la orientación y número de turbinas, y la mejor opción dependerá del tamaño y
características de la planta, así como de los recursos y tecnologías disponibles. Se puede
elegir entre una sola turbina de eje vertical cuyas paletas barran la totalidad del área interior de
la chimenea o varias turbinas más pequeñas dispuestas de manera que en conjunto cubran el
mismo espacio. Otra opción es instalar un gran número de pequeñas turbinas de eje horizontal
en la periferia del área de transición entre el techo del colector y la base de la chimenea, de un
modo similar a los ventiladores que se instalan en la base de una torre de enfriamiento.
2.4. Almacenaje Térmico
Si se desea una capacidad de almacenaje térmico mayor a la del suelo, se puede
conseguir colocando tuberías negras llenas de agua sobre el suelo debajo del techo del
colector. Las tuberías se llenan con agua una sola vez y después permanecen cerradas, de
manera que el agua no pude evaporarse. El volumen de agua en las tuberías es seleccionado
para corresponder al volumen de una capa de agua con una profundidad de 5 a 20
centímetros, dependiendo de las características deseadas en la potencia de salida de la planta.
En la noche, cuándo el aire en el colector comienza a enfriarse, el agua dentro de las
tuberías libera la energía calorífica que almacenó durante el día. El almacenaje térmico con
tuberías de agua funciona más eficientemente que con el suelo sólo, debido a que la capacidad
calorífica del agua es cerca de 5 veces mayor a la del suelo. Además, aún a bajas velocidades
de agua – por convección natural dentro de los tubos -, la transferencia de calor entre el agua,
las tuberías y el aire sobre ellas es mucho mayor que aquella entre la superficie del suelo y las
capas de suelo que hay debajo.
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Fig. 11. Almacenaje térmico en el colector.
En la siguiente gráfica se observa el efecto del almacenaje térmico usando la
capacidad calorífica de solamente el suelo, de un grupo de tuberías equivalentes a una capa
de 10 centímetros de agua y de otro grupo de tuberías equivalente a 20 centímetros de agua.
En el eje de las abscisas se presentan las horas del día, ya que dependiendo la hora, es la
cantidad de radiación solar disponible, y en las ordenadas se presenta la potencia de salida
correspondiente a cada hora del día.
Fig. 12. Gráfica que muestra los efectos del almacenaje térmico.
Se puede apreciar que sin el almacenaje térmico proporcionado por las tuberías con
agua, las horas del día con más radiación solar producen grandes potencias de salida,
mientras que durante la noche la producción, aunque existente, es significativamente menor. Si
se instala un sistema de almacenaje térmico de tuberías con agua, la producción de potencia
se estabiliza relativamente alrededor de un valor promedio.
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2.5. Análisis Termodinámico y de Funcionamiento
Las relaciones fundamentales y la influencia de los parámetros esenciales en la salida
de potencia de una planta de chimenea solar son presentadas aquí en una forma simplificada.
Una primera aproximación se hará según los escritos del Físico Wolfgang Schiel, colaborador
del Doctor Schlaich.
Schiel advierte que una descripción precisa del funcionamiento de una chimenea solar
bajo ciertas condiciones límite meteorológicas y dimensiones estructurales (altura y diámetro
de la chimenea y diámetro del colector), es posible sólo con un extensivo programa
computacional de termodinámica y dinámica de fluidos. Un programa de éste tipo incluye las
ecuaciones que reflejan el efecto de la transferencia de calor entre el suelo y el aire en el
colector, las pérdidas por fricción en el colector y en la chimenea, el almacenamiento de calor
en el suelo del colector, la turbina y su sistema de control. Estos procesos físicos individuales,
algunos de ellos muy complejos e interdependientes, pueden ser evaluados sólo con un largo
programa de análisis de elementos finitos.
Con el objeto de hacer comprensibles las interrelaciones presentes en una chimenea
solar, las dependencias fundamentales y la influencia de los parámetros esenciales sobre la
salida de potencia son presentadas aquí de forma simplificada.
La eficiencia total de la planta
individuales de cada componente:
se determina como el producto de las eficiencias
(1)
Donde col es la eficiencia del colector, o la efectividad con que la radiación solar es
convertida en calor, ch es la eficiencia de la chimenea y describe la efectividad con que el calor
entregado por el colector es convertido en energía de flujo y turb es la eficiencia de la turbina,
que representa la efectividad con que la energía de flujo de aire se transforma en energía
rotacional de la turbina.
El colector solar convierte la radiación solar G disponible sobre la superficie del área
del colector Acol en una salida de calor Q’. La eficiencia del colector puede ser expresada
entonces como la relación entre el flujo de calor (del aire que sale del colector) y la radiación
solar G que actúa sobre el área Acol.
(2)
La salida de calor del colector Q’ bajo condiciones estables puede ser expresado como
el producto de del flujo másico m’, el calor específico del aire Cp y el diferencial de temperatura
entre la entrada y la salida del colector T:
(3)
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Donde:
(4)
Siendo col la densidad del aire a temperatura T 0 + T a la salida del colector y entrada
de la chimenea. La velocidad del aire a la salida del colector vcol es igual a la velocidad del aire
a la entrada de la chimenea vch. Ach es el área de la sección transversal de la chimenea.
Entonces, para la eficiencia del colector:
(5)
Adicionalmente válido para el balance de calor en el colector:
(6)
Donde representa el coeficiente de absorción efectiva del colector. es un factor de
corrección por las pérdidas de calor por radiación y convección del colector, con unidades de
W/m2K. Aquí, es tomado como una constante, lo cual es correcto solo para T pequeños, ya
que es una función de la temperatura.
Entonces, la eficiencia del colector también puede ser expresada como sigue, después
de las ecuaciones (2) y (5):
(7)
Igualando las ecuaciones (5) y (7), se puede obtener una expresión que relacione la
velocidad del aire en la salida del colector y en la entrada de la chimenea con el aumento de la
temperatura T dentro del colector:
(8)
Ésta ecuación de balance simple es independiente de la altura del techo del colector
porque las pérdidas por fricción y el almacenamiento térmico en el suelo fueron despreciados.
Los valores típicos para se encuentran entre 0.75 y 0.80 para un T aproximadamente de
2
30°C. Mientras que toma valores alrededor de 5 a 6 W/m K. Entonces, con una radiación
2
solar G de 1000 W/m , el colector alcanza una eficiencia alrededor del 60%.
El flujo de calor Q’ producido por el colector es convertido por la chimenea en energía
cinética –corriente de convección- y energía potencial –caída de presión en la turbina-. La
diferencia de presión del aire causada por el aumento de temperatura T en el colector actúa
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como fuerza motriz. La columna de aire ligero dentro de la chimenea está conectada con la
atmósfera circundante en la base de la chimenea dentro del colector y en el extremo superior
de la chimenea, por lo que adquiere elevación. Se produce entonces una diferencia de presión
total ptot entre la base de la chimenea (salida del colector) y los alrededores:
(9)
Donde:
g: aceleración de la gravedad
Hc: altura de la chimenea
e : densidad del aire en el ambiente exterior
ch: densidad del aire dentro de la base de la chimenea
Por lo tanto, se aprecia que la diferencia de presión total ptot incrementa con la altura
de la chimenea. La diferencia de presión total puede dividirse en un componente estático y uno
dinámico, despreciando las pérdidas por fricción:
(10)
La diferencia de presión estática cae en la turbina, mientras que la diferencia de
presión dinámica describe la energía cinética de la corriente de aire. Con la diferencia de
presión total y el flujo de volumen de aire cuando ps = 0 (no hay turbina), la potencia neta
contenida en la corriente de aire es ahora:
(11)
Con ésta expresión se puede establecer ahora la eficiencia de la chimenea:
(12)
De hecho, la división de la diferencia de presión total en un componente estático y un
componente dinámico depende de la cantidad de energía que toma la turbina. Si se deja fuera
la turbina, se obtiene una velocidad de flujo de aire máxima vch, max ya que toda la diferencia de
presión es usada para acelerar el aire y se convierte en energía cinética:
(13)
Con la premisa de simplificación de que los perfiles de temperatura dentro y fuera de la
chimenea corren paralelos, la velocidad alcanzada por las corrientes de convección libre puede
ser expresada en la ecuación modificada de Torricelli:
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(14)
Donde:
T 0: temperatura ambiente al nivel del suelo
T: diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del colector
Con las ecuaciones (3), (12), (13) y (14) se puede obtener una nueva expresión para la
eficiencia de la chimenea:
(15)
Ésta representación simplificada explica una de las características básicas de la
chimenea solar, que es que la eficiencia de la chimenea es dependiente fundamentalmente
sólo de la altura de la chimenea. Ni la velocidad del flujo de aire ni el aumento de temperatura
en el colector influyen en la eficiencia de la chimenea.
Luego, la potencia neta Pneta contenida en el flujo de aire de la ecuación (12) puede ser
expresada como sigue con la adición de las ecuaciones (3), (4) y (15):
(16)
Con la ecuación (11):
(17)
Ésta ecuación también muestra la analogía con el tubo de presión de una planta
hidroeléctrica, en la cual el gradiente de presión está dado por:
(18)
La turbina eólica instalada en la base de la chimenea convierte el flujo de aire de
convección en energía rotacional. La caída de presión estática ps a través de la turbina puede
ser expresada en una primera aproximación por la ecuación de Bernoulli:
(19)
Ésta relación también está reflejada en la división de la diferencia presión en un
componente estático y un componente dinámico en la ecuación (10). Entonces, la potencia útil
teórica en la turbina Pt se convierte en:
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(20)
Se observa que el producto
representa el gasto o flujo volumétrico de aire y
por lo tanto, la potencia en la turbina es igual al producto del gasto de aire por el diferencial de
presión estático. La curva característica apropiada queda expresada por:
(21)
Si en el producto
el diferencial de presión estática es igual a 0, esto es, que no
exista turbina, la potencia obtenida es también 0. Lo mismo ocurre cuándo la caída de presión
estática es igual a la caída de presión total, esto es, que no exista presión dinámica y el gasto
de aire sea nulo. La potencia tiene un máximo entre éstos dos extremos en:
(22)
Dadas las simplificaciones anteriores, la potencia máxima se obtiene cuando dos
tercios de la diferencia de presión total se utilizan en la turbina. Éste punto corresponde a la
condición del pmp (punto de máxima potencia), como en el caso análogo de una planta
hidroeléctrica. Pero, a diferencia de ésta, el diferencial de presión estática en la chimenea solar
no es independiente de la velocidad del fluido, sino que están relacionadas como lo muestra la
ecuación (19). Por lo tanto, la potencia que toma la turbina es entonces:
(23)
Se reconoce entonces que la potencia eléctrica que la chimenea solar entrega es
proporcional a la altura de la chimenea y al área del colector. Por lo tanto, se puede obtener
una misma salida de potencia con diferentes combinaciones de altura de chimenea y diámetro
de colector. No existe una configuración óptima regida por la salida de potencia, pero los
costos de los componentes individuales y costos de construcción determinan una configuración
económicamente óptima para un sitio determinado.
2.6. Análisis Detallado
S. Bernardes y A. Voß, del Instituto de Aplicaciones Racionales y Economía de la
Energía de la Universidad de Stuttgart, Alemania, y G. Weinrebe, de Schlaich Bergermann und
Partner, la compañía del Dr. Schlaich, presentan en conjunto un trabajo titulado: “Análisis
Térmico y Técnico de las Chimeneas Solares”, encaminado particularmente hacia un modelo
integral numérico y analítico que describa el funcionamiento de una chimenea solar. Éste
modelo fue desarrollado para estimar la salida de potencia de una chimenea solar, así como
examinar el efecto de variadas condiciones ambientales y dimensiones estructurales sobre la
misma. Los resultados del modelo matemático fueron comparados con resultados
experimentales y el modelo fue utilizado para predecir las características del funcionamiento de
chimeneas solares de gran escala comercial.
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La salida de potencia de una chimenea solar depende de parámetros como las
condiciones ambientales (insolación, temperatura ambiente y velocidad del viento) y las
dimensiones de la chimenea y del colector. El análisis aquí descrito está basado en las
siguientes simplificaciones:
Se desprecia el flujo asimétrico del aire dentro del colector, esto es, el calentamiento no
uniforme de la superficie del colector en términos del ángulo de elevación del sol.
El colector se encuentra sobre una superficie plana.
El flujo de aire dentro del colector se considera como flujo entre dos placas paralelas.
Se desprecian las pérdidas de calor a través de las paredes de la chimenea.
El aire húmedo en flujo es considerado como una mezcla de dos gases ideales.
En ésta parte del análisis se determinará el aumento de temperatura en el colector,
asumiendo un flujo másico inicial de aire y se calculará el valor final mediante técnicas
iterativas. El colector es considerado como una cavidad entre dos placas paralelas. El colector
de una chimenea solar es un calentador solar de aire, que consiste en un arreglo de pequeños
colectores interconectados.
Fig. 13. Esquema de una Chimenea Solar.
Aplicando la ecuación de momentum a través de una sección diferencial del colector,
se obtiene:
Donde m’ representa el flujo másico, u es la velocidad del aire, p es la presión del aire,
A es el área de la sección transversal del colector que se está analizando, r es el radio del
colector y es el esfuerzo cortante que actúa sobre el aire en contacto con la superficie del
colector. Los subíndices indican la localización del parámetro en la imagen.
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Se pueden usar dos tipos de colectores en una chimenea solar:
1. De canal simple, con flujo de aire entre la cubierta superior y el fondo
absorbente.
2. Diseño de doble canal, con flujo simple de aire entre un absorbente y las
cubiertas del fondo.
Ambos tipos de colector pueden ser equipados con el sistema de almacenamiento de
agua en canal donde el aire fluye sobre el suelo. Para el segundo tipo de colector, que se
muestra en la figura, las siguientes ecuaciones de balance de calor son obtenidas de la red
térmica en los puntos donde se considera la resistencia térmica de contacto, donde h1, h2, h3,
h4, h5, h6, h7 y h8 son los coeficientes de transferencia de calor por convección de la segunda
cubierta, primera cubierta, de la primera cubierta a la corriente de aire, de la película plástica
transparente al agua, del absorbente al agua, del absorbente al aire y de la superficie del suelo
al aire, respectivamente. Por otra parte, hr21, hr32 y hr43 son los coeficientes de transferencia de
calor por radiación entre la segunda y la primera cubierta, entre la primera cubierta y la película
plástica transparente y entre la película plástica transparente y el absorbente, respectivamente.
T1, T2, T3, T4, T5 y Tb representan las temperaturas de la segunda cubierta, de la primera
cubierta, de la película plástica transparente, del absorbente, de la superficie del suelo y del
suelo mismo, respectivamente. Tf1, Tf2, Tf3, Tf4 representan las temperaturas del aire entre la
segunda y la primera cubierta, temperatura promedio del aire, temperatura del agua y la
temperatura del aire entre el absorbente y la superficie del suelo, respectivamente. Ub, Ut y Uw
representan el coeficiente de transferencia de calor del suelo, el máximo coeficiente de pérdida
de calor y el coeficiente de transferencia de calor del sistema de almacenamiento de agua,
respectivamente.
Fig. 14. Pérdidas de energía a través del colector y su equivalente eléctrico.
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Asumiendo que la temperatura del aire varía linealmente a lo largo de cada sección del
colector, la temperatura promedio es entonces igual a la media aritmética:
El calor útil transferido a la corriente de aire puede ser escrito en términos de la
temperatura promedio del fluido y la temperatura de entrada:
Donde:
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Donde m’ es el flujo másico de aire por el colector, Cp es el calor específico del aire y el
denominador representa el área del colector. Sustituyendo la ecuación (12) en la ecuación (4) y
reordenando, obtenemos:
Una matriz de 9x9 (ecuación (14)) para el tipo ( ) de colector con
almacenamiento de agua.
Una matriz de 7x7 (ecuación (15)) para el tipo ( ) de colector con
almacenamiento de agua.
Una matriz de 7x7 (ecuación (16)) para el tipo ( ) de colector sin
almacenamiento de agua.
Una matriz de 5x5 (ecuación (17)) para el tipo ( ) de colector sin
almacenamiento de agua.
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En general, las matrices anteriores pueden ser escritas como:
El vector de temperatura promedio puede ser determinado mediante una inversión de
matriz:
El coeficiente de pérdida de calor total puede ser obtenido de:
Donde hw es el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire:
Donde k es el coeficiente de conductividad térmica del aire, L es la longitud del colector
y Nu es el número de Nusselt. Por otro lado, hrs es el coeficiente de transferencia de calor por
radiación del cielo, y es igual a:
Donde es la constante de Stefan–Boltzmann, es la emisividad del cielo, Ts es la
temperatura del cielo y T
es la temperatura ambiente. La temperatura del cielo despejado Ts
obtenida por Berdahl y Martin (1984) está dada por:
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Donde Tdp es la temperatura del punto de rocío y t es la hora desde media noche. El
coeficiente de transferencia de calor del suelo está dado por:
Donde b es el coeficiente de penetración térmica y está dado por:
Donde k, y Cp son la conductividad térmica, la densidad y el calor específico del
suelo, respectivamente. Los coeficientes de transferencia de calor por radiación entre dos
placas paralelas para 1-2, 2-3 y 3-4 están dados por:
Los flujos de calor por radiación solar absorbidos por las superficies son:
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Donde S1, S2, S3 y S4 representan la radiación solar absorbida por la segunda cubierta,
por la primera cubierta, por la película plástica transparente y por el absorbente,
respectivamente.
y representan la transmisividad de la primera cubierta, de la segunda
cubierta y de la película plástica transparente, respectivamente.
y
representan la
absortividad de la primera cubierta, de la segunda cubierta, de la película plástica transparente
y del absorbente. H representa la radiación solar incidente. La transmisividad y la absortividad
de una sola cubierta es:
Donde a y r son la transmitancia considerando sólo pérdidas por absorción y la
transmitancia de radiación inicial no polarizada. Las ecuaciones (33) y (34) se pueden usar
para un sistema de dos cubiertas si ambas cubiertas son idénticas. Para resolver el problema
de condición de calor no estacionario en el sietema de almacenamiento de agua, consideramos
un problema de valor límite homogéneo para un bloque infinítamente ancho con temperatura
límite establecida. La temperatura y las distribuciones de la densidad de flujo de calor se
determinan analíticamente. El coeficiente de transferencia de calor del sistema de
almacenamiento de agua puede ser calculado mediante:
Donde
A continuación se muestra una tabla de correlaciones empleadas para los coeficientes
de convección forzada (h1-h8) y natural (hw). Los subíndices m,lam, m,turb y x representan
promedio laminar, promedio turbulento y número de Nusselt local:
Convección forzada:
Flujo laminar; Re < 5 x 105:
5 x 105 < Re < 107 ; 0.6 < Pr < 2000:
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Convección libre:
104 <= Ra < 107, superficie horizontal calentada, inferior o superior:
7
11
10 <= Ra <= 10 , superficie horizontal calentada, inferior o superior:
Ahora se muestran los factores de fricción cw empleados para calcular el esfuerzo
cortante en el colector:
Flujo laminar, liso:
Flujo turbulento, liso, 10 5 <= ReL <= 107:
Flujo de transición, liso:
Flujo turbulento, rugoso, 10-6 < kr / L < 10-2:
Para calcular el esfuerzo cortante dentro de la chimenea se utilizan los siguientes
factores de fricción:
Flujo laminar totalmente desarrollado, Re <= 2100:
Flujo turbulento totalmente desarrollado, 4000 < Re < 10 7:
Flujo turbulento, rugoso, 10 -6 < kr / L < 10-2:
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La chimenea convierte la energía térmica captada por el colector solar en energía
cinética. La diferencia de densidad creada por el aumento de la temperatura del aire en el
colector actúa como la fuerza motriz. La transferencia de calor que tiene lugar a través de las
paredes de la chimenea es despreciable. Aplicando la ecuación de momentum a través de una
sección diferencial de la chimenea se obtiene:
Donde 0 es la densidad del aire ambiental y z es el eje longitudinal de la chimenea.
Entonces, la velocidad del aire w puede ser expresada como:
Donde Hk representa la altura de la chimenea. Fuera de la chimenea, la presión, la
temperatura y la variación de la densidad del aire son calculadas considerando la atmósfera
estándar:
Donde:
Y representa la razón de calor específico o coeficiente de dilatación adiabática, y es
igual a 1.235 para la atmósfera estándar. Rl representa la constante del gas ideal. El subíndice
infinito describe a la cantidad como “ambiental” y z es el eje longitudinal de la chimenea.
La presión, temperatura y variación de densidad del aire dentro de la chimenea son
calcuadas considerando un proceso de expansión adiabática. Entonces:
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Donde:
El subíndice t describe el valor como interior al tubo de la chimenea. Además,
1.4005 para el aire dentro de la chimenea.
=
El flujo de calor producido por el colector es convertido por la chimenea en energía
cinética (corriente de convección) y en energía potencial (caída de presión en la turbina). Así, la
diferencia de densidad del aire causada por el aumento de temperatura en el colector actúa
como fuerza motriz. La columna de aire ligero dentro de la chimenea está conectada con la
atmósfera circundante en la base de la chimenea (dentro del colector) y en la cima de la
chimenea, y por lo tanto, adquiere elevación. Entre la base de la chimenea (salida del colector)
y los alrededores se produce entonces una diferencia de presión ptot. La caída de presión a
través de la turbina puede ser expresada como una función de la caída de presión total:
Donde:
La velocidad del aire a la salida de la chimenea puede ser encontrada usando:
Donde x es el factor de la caída de presión en la turbina y wtot es la velocidad obtenida
despreciando las pérdidas por fricción. La potencia útil teórica tomada por la turbina es:
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La energía solar incidente tiene tres distribuciones espaciales diferentes: la radiación
solar directa, la radiación solar difusa y la radiación reflejada por el suelo. Para el presente
modelo, la radiación solar directa puede ser calculada mediante procesos disponibles o leída
de un archivo. Ninguno de los procedimientos es descrito en este trabajo. Las propiedades
físicas del aire y del agua utilizadas en éste trabajo son calculadas mediante interpolación de
datos de tablas estándar.
El modelo matemático de la planta se resuelve entonces con un programa
computacional iterativo. El modelo teórico asume que para un colector pequeño, las
temperaturas de los límites que rodean a la corriente de aire son uniformes y que las
temperaturas de las corrientes de aire varían linealmente a lo largo del colector. Se puede
asumir que un colector grande está dividido en un número finito de colectores pequeños de
igual tamaño o secciones. Las temperatura de la pared y la temperatura promedio de la primer
sección son iguales a la temperatura ambiente. Los coeficientes de transferencia de calor son
evaluados de acuerdo con los valores iniciales supuestos. Un proceso iterativo es creado
entonces y las temperaturas promedio de la sección son calculadas usando las ecuaciones
derivadas mediante el empleo de un paquete estándar de inversión de matrices. El proceso
iterativo es repetido hasta que todas las temperaturas promedio consecutivas difieran por
menos de un valor deseado.
Otra sección de colector, con longitud igual a la de la sección previa, es entonces
añadida al final de la primer sección. Las temperaturas promedio de la pared y del aire de la
segunda sección de colector son establecidas iguales a las temperaturas promedio de la pared
y del aire de la sección anterior. La temperatura del aire en la entrada de la segunda sección se
establece igual a la temperatura del aire en la salida de la primer sección. El proceso iterativo
se repite hasta que todas las secciones del colector dado son consideradas. Con éste
procedimiento se pueden predecir las temperaturas promedio de las paredes y del aire a lo
largo de todo el colector.
Al inicio del programa se considera la primer sección del colector y se sugiere un primer
valor para el flujo másico de aire, entonces, el proceso iterativo se inicia. El programa calcula
todos los coeficientes de transferencia de calor y de pérdidas por fricción requeridos con base
en los valores iniciales sugeridos de temperatura y flujo másico. Cada nuevo valor de flujo
másico calculado en la chimenea se compara entonces con el correspondiente valor anterior.
Si la diferencia entre el valor nuevo y el valor anterior correspondiente es menor que la máxima
diferencia aceptable, se detiene la iteración y entonces el programa continúa con el siguiente
paso de tiempo. Al final de la iteración el programa calcula la temperatura de salida de la
corriente de aire al final de la sección actual de colector y chimenea. Mediante éste proceso
iterativo, las temperaturas requeridas a lo largo del colector y chimenea, así como el flujo
másico y la potencia generada en la turbina pueden ser calculados.
Para validar el modelo matemático, se compararon los datos de desempeño teórico
arrojados por el programa con los datos de desempeño obtenidos de la planta experimental de
Manzanares, España (de ésta planta se hablará en la sección Aplicaciones en distintos sitios).
El desempeño de la planta de Manzanares fue registrado considerando un paso de tiempo de 1
segundo y se usaron 180 sensores. Además de las dimensiones, los siguientes datos
meteorológicos fueron usados para la simulación de la planta prototipo:
Radiación solar.
Temperatura del aire en dependencia con la altura.
Humedad relativa del aire.
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Velocidad del viento.
Factor de caída de presión en la turbina.
Las siguientes figuras muestran una comparación entre la temperatura del aire en el
colector calculada con el modelo matemático y la obtenida de las mediciones en la planta
experimental durante un día. Con el presente modelo se obtuvo una concordancia de alrededor
del 2% para la potencia eléctrica obtenida. En ambas gráficas, la línea contínua representa los
resultados obtenidos con el modelo matemático, y las cruces representan los datos medidos en
la planta:
Fig. 15. Gráfica que muestra las temperaturas medidas y calculadas del aire en el
colector.
Fig. 16. Gráfica que muestra las temperaturas medidas y calculadas del aire en el
colector.
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El modelo matemático fue desarrollado para estimar la temperatura y la salida de
potencia de una chimenea solar, así como para examinar el efecto de varias condiciones
ambientales y dimensiones estructurales en el comportamiento de la planta. Se reconoce que
la generación de potencia de la chimenea solar es proporcional al volumen incluido dentro de la
altura de la chimenea y del área del colector. Por lo tanto, se puede obtener la misma salida de
potencia con diferentes combinaciones de geometría en la planta, no existe un arreglo físico
óptimo. Las dimensiones óptimas para la planta se pueden determinar incluyendo los costos de
los componentes y de construcción en un sitio en particular. Se analizó la influencia de los
siguientes parámetros:
Altura de la chimenea (500 a 1250 m). El doctor Schlaich menciona que
chimeneas de 1000 metros de altura pueden construirse sin dificultad y que se
están haciendo planes serios para construir rascacielos de 2000 metros de
altura en Japón.
Área del colector (9.6 a 19.6 km 2). Un colector plano puede convertir más del
70% de la radiación solar en calor.
Área con doble cubierta (0 a 100% del área del colector). Teóricamente, es
ventajoso incrementar la capacidad del techo del colector para retener el calor
mientras la temperatura del aire aumenta desde el perímetro hacia la torre.
Esto puede lograrse si se instala una doble cubierta al techo del colector en la
zona más cercana a la torre, donde la temperatura es mayor.
Área del sistema de almacenamiento de agua (0 a 100% del área del colector)
y espesor del sistema (0 a 0.15 m). Éste parámetro examina la viabilidad de un
sistema de almacenamiento de calor por agua para la chimenea solar.
Propiedades ópticas de la cubierta (transmitancia de 0.5 a 0.95). En zonas
áridas, polvo y arena se acumulan inevitablemente sobre el techo del colector y
por supuesto reducen su eficiencia.
Coeficiente de penetración térmica del suelo (de 1000 a 2000 Ws 0.5 / Km2). El
suelo bajo el invernadero provee un almacenamiento térmico natural.
Distancia entre el absorbente y el suelo (0 a 0.10 m). Para un adecuado diseño
y modelado del colector, es crucial conocer la resistencia térmica de contacto
entre el absorbente y el suelo.
Factor de caída de presión en la turbina (0.5 a 0.99). Éste factor representa la
fracción de la diferencia total de presión en el sistema que cae en la turbina.
Generalmente, la turbina se diseña para que extraiga una potencia máxima con
velocidades de aire variables y por lo tanto se diseñan con algún tipo de control
de potencia. Existen diferentes formas de hacer esto de manera segura en las
turbinas modernas, variando el ángulo de ataque de las paletas o con alerones.
Con el modelo presentado se calculó la salida de potencia para diferentes
configuraciones con los parámetros descritos. La influencia de la altura de la chimenea, el área
del colector, las propiedades ópticas de la cubierta y el factor de caída de presión en la turbina
es substancial. Con un incremento en la altura de la chimenea, la caída de presión en la
chimenea también aumenta. Esto resulta en un incremento en la velocidad del aire, con el
consecuente aumento del flujo másico y por lo tanto, un aumento en la salida de potencia. El
incremento en el área del colector y en el valor de la transmisividad de la cubierta causa un
incremento en la temperatura de salida del colector, lo que resulta en un incremento del flujo
másico y un aumento en la salida de potencia. La máxima potencia es obtenida cuando el
factor de caída de presión en la turbina es aproximadamente igual a 0.97 de la diferencia de
presión disponible. En el límite cuando dicho factor tiende a 1 se reduce el flujo de aire en el
sistema y, consecuentemente, la temperatura del aire en el colector aumenta, incrementando la
diferencia de presión total (Eq. 59). En realidad, un factor de caída de presión de 0.97 es difícil
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de alcanzar, por lo que se recomienda el uso de un valor entre 0.80 y 0.90. Las relaciones
entre temperatura, factor de caída de presión y salida de potencia se muestran en la gráfica.
Fig. 17. Gráfica que muestra la relación entre temperatura, factor de caída de presión y
salida de potencia.
El efecto del área y profundidad de un sistema de almacenamiento de agua se muestra
en las siguientes figuras. Como puede observarse, el uso de éste sistema incrementa la
producción de potencia por la noche. La variación del coeficiente de penetración térmica del
suelo, el área de la cubierta del colector con doble capa y la distancia entre el absorbente y el
suelo no presentó variaciones significativas de los resultados.
Fig. 18. Gráfica que muestra el efecto del área de almacenaje térmico sobre la potencia
generada.
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Fig. 19. Gráfica que muestra el efecto de la profundidad del sistema de almacenaje
térmico sobre la potencia generada.
El objetivo de éste estudio fue el de evaluar el funcionamiento de una chimenea solar
teóricamente. Un modelo matemático fue desarrollado para estimar la temperatura y la salida
de potencia de una chimenea solar, asi como también examinar el efecto de varias condiciones
de construcción en la planta. El modelo matemático fue validado con los datos experimentales
de la planta de Manzanares. La salida de potencia puede incrementarse aumentando la altura
de la chimenea, el área y la transmitancia del colector. La máxima salida de potencia se puede
alcanzar cuando el factor de caída de presión en la turbina es aproximadamente igual a 0.97.
Otros parámetros como el coeficiente de penetración térmica del suelo, la distancia entre el
absorbente y el suelo, el área del colector con doble cubierta y las características de un
sistema de almacenamiento de agua no presentaron variaciones significativas en la salida de
energía de la planta, pero si en la salida de potencia contra el tiempo.
2.7. Ecuación de Transferencia de Calor, Coeficiente de Turbina, Calidad
de Vidrio y Tipo de Suelo
En 2005 los ingenieros J.P. Pretorius y D.G. Kröger, del Departamento de Ingeniería
Mecánica de la Universidad de Stellenbosch, Sudáfrica, presentaron un trabajo titulado:
“Evaluación crítica del desempeño de la planta de potencia de chimenea solar”, en el que
presentan un estudio sobre la influencia de una ecuación de transferencia de calor por
convección recientemente desarrollada, un coeficiente de pérdida de entrada en la turbina más
adecuado, la calidad del vidrio del techo del colector y varios tipos de suelo en el desempeño
de una planta a gran escala.
Estudios previos (Hedderwick, 2001; Kröger and Buys, 2001; Pretorius et al., 2004)
emplearon la siguiente ecuación aproximada de McAdams (1954) para evaluar el coeficiente de
transferencia de calor por convección desde el techo del colector solar hacia el aire ambiental:
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Donde hra es el coeficiente de transferencia de calor por convección del techo hacia el
aire y w es la velocidad del viento. El trabajo de Kröger and Burger (2004) ha llevado al
desarrollo de una correlación mejorada para el coeficiente de transferencia de calor convectivo
local desde una superficie horizontal expuesta al medio ambiente natural. Un trabajo más
reciente de Burger (2004), llevó al desarrollo de una versión mejorada de esa correlación,
representada en la Ecuación (2). La correlación es aplicable a superficies horizontales calientes
mirando hacia arriba o a superficies horizontales frías mirando hacia abajo. El trabajo
experimental de Burger (2004) (para la determinación de la Ecuación (2)) considera un balance
de energía que evalúa a los diferentes flujos de calor por convección y radiación sobre y desde
una placa plana horizontal expuesta al medio ambiente natural. Debe ser señalado el hecho de
que el flujo de calor por radiación desde la placa hacia el medio ambiente está basado en la
emisividad del cielo de acuerdo a Berdahl and Fromberg (1982). Durante los periodos de
tiempo en que la temperatura del techo del colector (Tr) excede la temperatura ambiental (Ta),
el techo es considerado como una superficie horizontal caliente viendo hacia arriba. Las
superficies inferior y superior del techo del colector son supestas como superficies lisas. A partir
de éste punto, la Ecuación (2) reemplazará a la Ecuación (1) para evaluar hra en el modelo
computacional durante estos periodos. Durante los periodos en que Ta > Tr (y el techo del
colector es considerado como una superficie horizontal fría viendo hacia abajo), se asume que
hra es despreciable en auscencia de vientos.
Donde es la densidad del aire, Tm es la temperatura promedio, es la viscosidad
dinámica, g es la gravedad, T es la diferencia de temperaturas, Cp es el calor específico a
presión constante y k es la conductividad térmica.
Durante los periodos de tiempo en que la temperatura del techo del colector (Tr) es
mayor que la temperatura del aire en el colector (T), el techo es considerado como una
superficie horizontal caliente viendo hacia abajo, mientras que cuando T > Tr, el techo es visto
como una superficie horizontal fría viendo hacia abajo. Aproximando el flujo de aire en el
colector como flujo entre placas paralelas, el coeficiente de transferencia de calor por
convección forzada (ésta ecuación no considera los efectos de la convección natural) desde el
techo del colector hacia el aire dentro del colector (hrh) puede ser determinado usando la
ecuación de Gnielinski para flujo turbulento:
Donde f es el factor de fricción, Re es el número de Reynolds, Pr es el número de
Prandtl y dh es el diámetro hidráulico, que en este caso es igual a 2H, donde H es la altura.
Pretorius et al. (2004) emplearon la Ecuación (3) para evaluar hrh cuando Tr > T y T >Tr. Ambas
Ecuaciones, (2) y (3), son aplicables cuando se calcula hrh cuando T > Tr. Se debe aclarar que
la Ecuación (2) considera los efectos de convección natural y forzada, mientras que la
Ecuación (3) sólo toma en cuenta los efectos de convección forzada. Sin embargo, la Ecuación
(3) si considera los efectos de la rugosidad de la superficie. Se asume que el mecanismo local
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de transferencia de calor de convección natural o forzada dominará la razón de transferencia
de calor local. Por lo tanto, con T > Tr el modelo numérico mejorado emplea el mayor de los
valores de hrh calculados por las Ecuaciones (2) y (3), mientras que sólo utiliza la Ecuación (3)
cuando Tr > T.
Cuando la temperatura de la superficie del suelo (Tg) excede a la temperatura del aire
dentro del colector (T), se considera a la superficie del suelo como una placa horizontal caliente
viendo hacia arriba. Inversamente, la superficie del suelo se toma como una placa horizontal
fría durante los periodos de tiempo en los que T > Tg. Se asume que la superficie del suelo
debe tener cierta rugosidad. Análogo a la evaluación de hrh, Pretorius et al. (2004)
determinaron el coeficiente de transferencia de calor por convección desde el suelo hacia el
aire del colector (hgh ) usando solamente la Ecuación (3) para Tg > T o T > Tg. Sin embargo, el
modelo numérico mejorado aplica una estrategia similar para evaluar hgh y hrh, debido a que
los mecanismos de transferencia de calor que tienen lugar en ambos casos son similares. Una
vez mas, se asume que el mecanismo local de transferencia de calor (convección natural o
forzada) dominará la razón de transferencia de calor local. Consecuentemente, con Tg > T, el
mayor de los coeficientes hgh determinados por la Ecuación (2) y la Ecuación (3) es utilizado.
Es importante notar que para ambas transferencias de calor por convección, desde el
techo y el suelo hacia el aire en el colector, la Ecuación (3) usualmente sólo es aplicable sobre
una pequeña porción del colector durante un periodo de tiempo limitado. Ésta restricción ilustra
el gran impacto que la Ecuación (2) tiene prediciendo los flujos de calor por convección en el
colector y en última instancia, el desempeño general de la planta.
Se llevaron a cabo 2 simulaciones computacionales comparativas, una con un modelo
que emplea la estrategia y ecuaciones originales para el cálculo de diversos coeficientes de
transferencia de calor por convección, y otra que incluye la correlación desarrollada
recientemente. Las simulaciones mostraron que la máxima salida de potencia de la planta de
chimenea solar se reduce cuando se emplea la correlación de transferencia de calor por
convección mejorada, con una caída de 11.7% en la generación de energía anual. Se observó
que el valor original de hgh (Ecuación (3), del modelo que incorpora las ecuaciones previas) es
casi equivalente al nuevo valor de hgh (Ecuaciónes (2) ó (3), del modelo que incorpora la
ecuación recientemente desarrollada) cuando se evalúa para el tercio más exterior del colector.
Para radios de colector más pequeños, el valor de hgh original se reduce a casi la mitad de su
valor inicial, mientras que el valor del nuevo hgh permanece prácticamente constante. Un mayor
coeficiente de transferencia de calor por convección facilita que más energía sea extraída del
suelo hacia el aire, resultando en una menor temperatura de la superficie del suelo. Por otro
lado, los valores de hrh, original y nuevo, comienzan siendo iguales en las cercanías del
perímetro del colector, con el nuevo coeficiente incrementando significativamente hasta casi 3
veces su valor inicial, mientras que el valor del hrh original decrece hasta ser aproximadamente
dos terceras partes del valor original. El nuevo coeficiente mejorado de transferencia de calor
por convección resulta en una transferencia de calor del aire en el colector hacia el techo
significativamente mayor que la predicha anteriormente. También se observó que los valores
original y nuevo de hra permanecen constantes a lo largo del radio del colector, siendo el nuevo
valor ligeramente mayor que el original. Con un incremento en la transferencia de calor del
suelo hacia el techo, asi como también un mayor valor de hra, se pierde mas energía a través
del techo del colector hacia el medio ambiente que lo predicho anteriormente, resultando en
una reducción en la salida de potencia.
Pretorius y Kröger continúan su trabajo analizando la influencia de un nuevo coeficiente
de pérdidas a la entrada de la turbina, más realista. El aire del colector que fluye hacia la
turbina que se encuentra en la base de la chimenea experimenta una caída de presión
provocada por la reducción en el área de flujo. Ésta caída de presión se basa en un coeficiente
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de pérdida en la entrada de la turbina, kturb,i. El valor de kturb,i usado previamente de 0.25,
empleado por Hedderwick (2001), Kröger y Buys (2001) y Pretorius et al. (2004) fue
seleccionado originalmente como una primera aproximación conservadora. Después de
consultar a Von Backström et al. (2003), se decidió introducir un valor mas realista de kturb,i =
0.14 en las especificaciones de la planta.
Se realizó una nueva simulación, incluyendo la nueva correlación de transferencia de
calor por convección y el nuevo valor de kturb,i. El resultado de la nueva simulación fue un
incremento de 0.6% en la producción anual de energía de la planta, sin un incremento
apreciable en la producción de potencia diaria.
La calidad del vidrio en el techo del colector también fue analizada. Estudios previos
por Hedderwick (2001), Kröger y Buys (2001) y Pretorius et al. (2004) asumieron una
relativamente pobre calidad de vidrio como material del techo del colector. En los términos de
la investigación actual, un vidrio de mayor calidad implica una mayor transparencia,
permitiendo una mayor transmitancia de radiación solar. Para medios parcialmente
transparentes, como el vidrio, una constante conocida como coeficiente de extinción determina
parcialmente la cantidad de radiación absorvida y consecuentemente transmitida por el medio.
De acuerdo a Duffie y Beckman (1991), el valor del coeficiente de extinción del vidrio varía
desde 32 m -1 para el vidrio de “orilla verde” hasta 4 m -1 para el vidrio “blanco agua”. Con el
factor motivante de que un vidrio con mayor calidad no difiere significativamente en costos del
vidrio de pobre calidad usado anteriormente, se decidió emplear vidrio de alta calidad para el
techo del colector, con un coeficiente de extinción Ce = 4 m-1.
Se llevó a cabo una nueva simulación, incluyendo el nuevo coeficiente de transferencia
de calor por convección, el nuevo factor de pérdida en la turbina y vidrio de mayor calidad con
un Ce = 4 m -1. Se encontró que durante los meses de verano, el vidrio de mayor calidad causó
un incremento en la salida de potencia de la planta a lo largo del día, con un valor pico mayor
que el vidrio de menor calidad. Durante los meses de invierno, la salida de potencia en general
es también mayor, aunque con un valor pico reducido. Otra tendencia notable es que el modelo
que incorpora el vidrio de menor calidad produce una salida de potencia durante las mañanas
de invierno mayor que la que produce la planta con vidrio de mayor calidad. Esto se debe a que
el vidrio de menor calidad es menos transparente que el vidrio de mayor calidad. Durante las
mañanas frías, más energía es absorvida por el vidrio de baja calidad, lo que resulta en una
temperatura mayor del techo del colector. Por otro lado, el vidrio de mayor calidad permite que
mas radiación solar lo traspase y llegue al suelo, lo que provoca una menor temperatura en el
techo del colector. Como resultado, la diferencia de temperaturas entre el techo del colector y
el aire dentro de él es menor cuándo se emplea vidrio de menor calidad, mientras que el valor
de hrh es aproximadamente similar para ambas configuraciones. El resultado para las
mañanas frías es que se transfiere menos calor del aire hacia el techo del colector y menos
calor se pierde hacia el ambiente cuando se utiliza vidrio de menor calidad. Aún así, se
comprobó que utilizar vidrio de mayor calidad tiene una influencia positiva en la producción
anual de energía de la planta, con un incremento aproximado de 3.4%.
El siguiente tópico a tratar, es el tipo de suelo debajo del colector. Los estudios
mencionados de Hedderwick (2001), Kröger y Buys (2001) y Pretorius et al. (2004), emplearon
granito como el tipo de suelo para las simulaciones de sus chimeneas solares. Sin embargo,
existen muchos otros tipos de suelo en los lugares donde se puede construir una planta de
chimenea solar. En esta sección se evalúa el efecto de 2 tipos más de suelo en la producción
de potencia de una planta de chimenea solar. Aunque las propiedades del suelo pueden variar,
se seleccionaron valores promedio en la literatura. Las propiedades del suelo de granito
usadas en los estudios mencionados fueron tomadas de Holman (1992). Las propiedades
promedio para los otros dos tipos de suelo, piedra caliza y arenizca, son seleccionadas del
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mismo texto. Ambos materiales poseen coeficientes de penetración térmica prácticamente
idénticos, por lo que las simulaciones deben producir virtualmente los mismos resultados.
Para evaluar el efecto que tiene el uso de distintos materiales en el suelo de la planta,
se llevaron a cabo simulaciones con piedra caliza y arenisca y se compararon con la simulación
previa. Los resultados indican que las curvas obtenidas de los modelos que emplean piedra
caliza y arenizca son practicamente las mismas, sin que se pueda distinguir una diferencia
importante entre ellas. Por lo tanto, no existe diferencia en la salida de potencia de una planta
que utilice piedra caliza y una planta que utilize arenizca como tipo de suelo, lo que confirma la
suposición hecha anteriormente por la similitud en las propiedades de ambos materiales.
Ambos modelos mostraron una menor producción de potencia durante la noche y una mayor
generación durante el día, comparada con el modelo que emplea granito como tipo de suelo.
Aún con éstos resultados, las plantas que emplean piedra caliza y arenizca, no exceden el
valor de la energía anual generada por una planta con suelo de granito por más de un 0.3%.
2.8. Condición de Máximo Flujo de Potencia
Otro aspecto importante en el desempeño de una planta de chimenea solar, es la caída
de presión en la turbina. Sobre éste punto hablan Theodor W. von Backström y Thomas P. Fluri
en su trabajo titulado “Condición de máximo flujo de potencia en las plantas de energía de
chimenea solar, una aproximación analítica” publicado en el 2004.
Para diseñar un sistema de flujo con una turbina para máxima producción de energía y
operarla a máxima potencia, los ingenieros necesitan encontrar la caída de presión óptima a
través de la turbina como una fracción de la diferencia de presión disponible en el sistema. El
caudal de diseño del sistema determina el tamaño y el costo de los pasajes de flujo de la
planta, así como el tamaño, diseño y costo de la turbina. En la fase de diseño, un algoritmo
iterativo puede ser suficiente para encontrar el punto óptimo, pero un simple método analítico
sería mas conveniente para el sistema de control.
Muchos investigadores de la chimenea solar han asumido que la razón óptima de la
presión en la turbina entre la presión potencial es 2/3, (Haaf et al., (1983); Lautenschlager et
al., (1984); Mullett, (1987); Schlaich, (1995)). En cálculos más detallados, Schlaich (1995) usó
como valor óptimo para pt/pp = 0.82, por los valores de pt y pp que obtuvo de sus
experimentos. Hedderwick (2001) presentó gráficas de donde se desprenden valores alrededor
de 0.70. Von Backström y Gannon (2000) usaron la suposición de 2/3 sólo para la optimización
con una diferencia de presión disponible constante, pero Gannon y Von Backström (2000)
emplearon un procedimiento de optimización bajo condiciones de radiación solar constante.
Schlaich et al. (2003) reportaron un valor de alrededor de 0.80, mientras que Bernardes et al.
(2003) reportaron un valor tan alto como 0.97. La gran variación de los datos garantíza que se
debe hacer más investigación al respecto.
La cuestión es entonces, la existencia o no de un óptimo relevante en las plantas de
chimenea solar y cómo determinarlo. Aún bajo condiciones de radiación solar constante, el
potencial de presión de una chimenea solar no está fijo, sino que es una función del aumento
de temperatura del aire en el colector, el cuál varía con el caudal de aire.
La obtención de un modelo de la ley de la potencia requiere de dos generalizaciones:
una relación entre el potencial de presión y el flujo volumétrico en la planta y una relación entre
la caída de presión en el sistema y el flujo volumétrico en la planta. Una suposición muy simple,
pero muy útil, para la relación entre el potencial de presión y el flujo volumétrico es:
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m
Donde pp es la presión potencial del sistema, Kp = pref / Vref está determinado en un
punto de referencia (Vref, pref) cerca del óptimo, y m es un exponente negativo. En la siguiente
figura se muestran las líneas de presión potencial contra el flujo volumétrico para tres valores
de m. Nótese que si m = 0, entonces pp = Kp, lo que significa una presión potencial constante.
Fig. 20. Gráfica que muestra las líneas de presión potencial contra el flujo volumétrico
para tres valores de m.
Una suposición útil para la caída de presión en el sistema en flujo incompresible es:
Donde el subíndice L denota pérdidas, (del inglés “Loss”), y n típicamente vale 2
cuando la caída de presión en el sistema está dominada por pérdidas menores, y se acerca a
1.75 cuando la caída de presión está dominada por pérdidas por fricción en la pared que
dependen del número de Reynolds (White, 2003).
Nótese que se despreció el efecto de la variación de densidad con el aumento de
temperatura en el sistema, pero puede ser incluido en la elección de K y n en los alrededores
de cada punto de operación. La caída de presión en la turbina es entonces:
Ya que el cambio en la densidad del aire a través de la turbina de una chimenea solar
es típicamente de 2%, podemos considerar incompresible al aire que fluye a través de la
turbina, esto es, el flujo de potencia es igual al producto del flujo volumétrico y la caída de
presión total en la turbina:
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En la siguiente figura se muestra la presión como función del flujo volumétrico en el
sistema. Se graficaron 2 curvas, la primera, dibujada con una línea delgada y en la parte
superior, representa la presión potencial en el sistema, mientras que la segunda curva, en la
parte inferior y con una línea gruesa, representa las pérdidas de presión en el sistema. Entre
las dos curvas de presión se encuentra inscrita el área que representa la potencia del sistema.
Fig. 21. Gráfica que muestra a la presión como función del flujo volumétrico en el
sistema.
La generación de potencia en la turbina depende no sólo de las características del
sistema de flujo del cual es parte, pero también de las características de la turbina misma. Sin
embargo, asumiremos que la eficiencia de la turbina no varía apreciablemente con los cambios
en la razón de flujo, o, si lo hace, se tomará en cuenta dentro de las pérdidas de presión en el
sistema.
El flujo volumétrico para máximo flujo de potencia (MFP) se obtiene cuando la derivada
parcial de la potencia respecto al flujo volumétrico es igual a cero:
El flujo volumétrico en el punto de máxima potencia es entonces:
Nótese que cuando m = -1, entonces V = 0 y pp es infinita, esto es, el modelo de la ley
de la potencia es irreal para flujos muy pequeños. El potencial de presión para máximo flujo de
potencia se obtiene sustituyendo la Ecuación (1) en la Ecuación (5):
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La caída de presión en la turbina como fracción del potencial de presión para máximo
flujo de potencia se obtiene sustrayendo las pérdidas del sistema del potencial de presión:
Ésta relación relativamente simple depende solamente de los exponentes m y n. En la
práctica, la relación de la ley de potencia entre pp y V se aproximaría, para valores apropiados
de Kp y m, a la relación real sólo en una región limitada, pero el punto donde Kp y m son
calculados puede ajustarse de manera iterativa. Lo mismo se aplica para KL y n. En el análisis
dependiente del tiempo, se asume un estado cuasi-estable durante el tiempo en que el punto
óptimo es visto. En términos prácticos esto implica que la configuración de la turbina (por
ejemplo, el ángulo de ataque de las paletas del rotor) puede ser ajustada mucho más rápido
que lo que cambian las condiciones de operación de la planta. La suposición es que, durante
este intervalo, existe una relación fija entre el potencial de presión y el flujo volumétrico, o que
Kp y m son constantes y también KL y n. En el caso especial en que m = 0 y n = 2, la Ecuación
(6) se reduce a:
La razón de flujo MFP es entonces 1/3 0.5 de la máxima razón de flujo que ocurre
cuando pt = 0. También, cuando m = 0 (pp es constante) y n = 2, la Ecuación (8) se reduce a:
La condición de MFP ocurre en pt/pp = 2/3 sólo en el caso especial cuando m = 0 (esto
es, potencial de presión constante) y n = 2. Cuando n = 2 y m es diferente de 0, pt/pp para
MFP excede 2/3 si m es negativa (cuando el potencial de presión decrece con el aumento en el
flujo volumétrico).
Considérese ahora una planta de chimenea solar operando en estado estable. El
colector solar consiste de una cubierta transparente sobre una superficie que recibe energía
solar. El suelo del colector transfiere energía hacia el aire que fluye sobre él con la misma
proporción con que recibe energía del sol, esto es, transfiere GAcoll, donde es el coeficiente
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de absorción efectiva del colector. El aire en el colector pierde calor hacia la cubierta del
colector con la misma proporción con que la cubierta del colector pierde energía hacia el medio
ambiente, es decir, pierde
TAcoll, donde
es un coeficiente de transferencia de calor
ajustado para pérdidas de calor por convección y radiación, tomando en consideración que la
diferencia de temperaturas entre la cubierta del colector y el medio ambiente crece desde 0 en
la periferia del colector hasta T en la base de la chimenea. La situación real es más compleja,
pero este modelo simplificado empleado por Schlaich (1995) puede ser utilizado para obtener
una expresión aproximada para el aumento de temperatura en el colector y el exponente m del
análisis anterior. Se realiza un balance de energía para encontrar el aumento de temperatura
en el colector, donde el subíndice cfe se refiere a que el flujo de calor es desde el suelo del
colector hacia el aire que sale:
Si la temperatura ambiente al nivel del suelo es T0, la densidad del aire en la salida del
colector (entrada de la chimenea) es coll y si se suponen perfiles paralelos de temperatura
dentro y fuera de la chimenea, una chimenea de altura Hc generará un potencial de presión
hidrostática, pp:
Esta ecuación es de la forma:
Se puede demostrar que para una relación de la forma p = AVm , m depende solamente
del valor local de la función y el valor local de su gradiente, y está dado por:
Para una función de otra forma, por ejemplo la Ecuación (13), una m equivalente puede
ser calculada en cualquier punto ya que m depende sólo de las coordenadas del punto y su
gradiente local:
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Sustituyendo C2 y C3 y multiplicando el numerador y el denominador por T:
Aquí, cfe es la tasa neta a la cual el calor es absorbido por el aire entre la entrada y la
salida del colector, expresada como fracción de la tasa de transferencia de calor desde el suelo
hacia el aire. A esta tasa la llamaremos eficiencia del suelo del colector hacia la salida, ya que
es una medida de que tan eficientemente se transfiere calor desde el suelo del colector hacia el
aire que fluye sobre él. Schlaich (1995) escribe la eficiencia de colector estándar para su
modelo como:
La eficiencia del suelo del colector hacia la salida puede escribirse de manera similar si
en la Ecuación (16) se dividen el numerador y el denominador entre GAcoll:
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Es notable que en el caso del modelo simplificado de colector, el exponente m resulta
ser simplemente el negativo de la eficiencia del suelo del colector hacia la salida. Las
implicaciones inmediatas son las siguientes:
m debe tener un valor entre 0 y -1
para n = 2, el valor óptimo de pt/pp está entre 2/3 y 1
la fracción pt/pp óptima es 2/3 sólo si la eficiencia del colector es 0
Una cuestión clave es cómo el valor de m afecta la predicción de potencia de la planta.
Como condición de referencia usamos el caso donde V = Vmax/(n + 1)1/n y pt/pp = n/(n + 1), y lo
marcamos con un asterisco (*). Cuando pt/pp = n/(n + 1) en el modelo de la ley de potencia,
entonces de las Ecuaciones (1) a (3):
Se sustituye la Ecuación (19) en la Ecuación (6) para obtener el flujo volumétrico en la
condición de máximo flujo de potencia:
Usando las Ecuaciones (1), (8) y (20), la caída de presión en la turbina en el punto de
máximo flujo de potencia es:
Sustituyendo las Ecuaciones (20) y (21) en la Ecuación (4), el flujo de potencia en la
condición de MFP es:
Schlaich (1995) menciona que típicamente coll es igual a 0.55 y
que hace que aproximadamente cfe sea igual a 0.69.
es igual a 0.80, lo
Aplicando el modelo anterior, obtenemos m = -0.69 y de la Ecuación (8) y asumiendo
que n = 2, la fracción óptima es pt/pp = (n – m)/(n + 1) = 2.69/3 = 0.90. Este valor es mucho
más grande que el propuesto de 2/3, y también que el valor de 0.82 derivado de los datos de la
tabla dada por Schlaich (1995). Ya que los datos tabulados por Schlaich (1995) no fueron
obtenidos con pt/pp = 2/3, no es posible aplicar directamente las Ecuaciones (20) a (22) para
los valores de flujo volumétrico, caída de presión en la turbina y flujo de potencia para la
condición de MFP. Primero se debe encontrar la condición equivalente usando las Ecuaciones
(1) y (2) para obtener los valores de Kp y KL. Asumiendo que estos coeficientes, al igual que los
exponentes m y n, permanecen constantes sobre un rango restringido de flujo volumétrico y
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usando la condición (*) junto con las Ecuaciones (1) y (2), de la Ecuación (19) tenemos que V*
es:
El valor de m se sucede de cfe y n se toma como igual a 2. Entonces se puede
encontrar V* y evaluar pp*, pt*, pL* y P*, y obtener valores para las mismas variables en la
condición de MFP con las Ecuaciones (20) a (22). Ya que n es cerca de 3 veces más grande
que m, V* es bastante insensible al valor exacto de m. Tomando m = -0.66 y trabajando con los
datos proporcionados por Schlaich (1995) para una planta de 100 MW, encontramos que PMFP
es 3.7% más grande que la predicha por Schlaich, para una planta de 30 MW es 3.5% mayor, y
para una planta de 5 MW es 3% mayor. Si se cambia m en un 20% a -0.79, se obtiene una
PMFP 8.4% mayor que la predicha por Schlaich, un cambio de sólo 4.5%.
El modelo de la ley de potencia usado hasta ahora contiene una inconsistencia: asume
que m es constante e independiente del flujo volumétrico, pero resulta ser que m es
proporcional a la eficiencia del colector, la cual es de hecho, una función del flujo volumétrico.
Esto limita el método de la ley de potencia a casos en los que m varía solo ligeramente con el
flujo volumétrico. La solución es reconocer que el análisis hasta ahora no explora totalmente el
potencial del modelo de colector simple de Schlaich. Para encontrar el flujo de potencia de la
planta, reconociendo que cfe depende de V, se formulará el modelo de MFP Coll., donde el
añadido Coll. denota al colector. Se multiplica la Ecuación (12) por V:
Si n = 2, la Ecuación (24) es un polinomio de cuarto orden para el cual existe un
procedimiento de solución analítico. De otra forma, el polinomio debe ser resuelto
numéricamente para VMFP Coll. Sin embargo, sería más instructivo comparar las gráficas de flujo
contra potencia de los casos con m constante y variable. La siguiente figura muestra que para
el caso de prueba de una planta de 100 MW presentado por Schlaich, VPL y VMFP Coll son muy
similares entre sí, pero difieren en gran medida de V*, el flujo para el cual la caída de presión en
la turbina es 2/3 de la presión potencial. También muestra que el uso de la regla de los 2/3
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sobrestima seriamente el flujo máximo con el cual la planta deja de generar potencia. Este
valor tiene un gran efecto sobre la velocidad de desboque de la turbina.
Fig. 22. Gráfica que muestra el flujo de potencia contra el flujo volumétrico para
diversos enfoques de modelado (normalizados con los valores del caso de referencia).
Típicamente, VPL y VMFP Coll se encuentran entre 67% y 62% de V*, y las caídas óptimas
de presión en la turbina correspondientes se encuentran entre 173% y 200% de los valores
asociados con V*.
Se demuestra entonces que la suposición de potencial de presión constante puede
llevar a subestimar apreciablemente el desempeño de la planta, cuando se compara con el
análisis del modelo de colector simple. Más importante es que ambos análisis aquí realizados
predicen que el máximo flujo de potencia se encuentra disponible a un menor flujo volumétrico
y a una mayor caída de presión en la turbina que lo predicho por el modelo de potencial de
presión constante. Por lo tanto, el modelo de potencial de presión constante puede llevar a
sobrestimar el tamaño de los pasajes de flujo de la planta y diseñar una turbina con un
inadecuado márgen de entrada en pérdida y un márgen excesivo de velocidad de desboque.
Las ecuaciones obtenidas pueden ser útiles en la estimación inicial del desempeño de una
planta, en el análisis del desempeño y en el diseño de algoritmos de control.
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3. APLICACIONES DE LA
TECNOLOGÍA
3.1. APLICACIÓN EN CAMPO
3.1. 1. El Prototipo de Manzanares
Por muchos años, el profesor Jörg Schlaich con su equipo de Schlaich Bergermann
und Partner (SBP), una prominente consultora de ingeniería estructural europea en Stuttgart,
Alemania, ha estado muy interesado en las aplicaciones de la energía solar a gran escala. A
finales de los años 1970’s y principios de de los años 1980’s, el equipo desarrolló una
propuesta detallada para una chimenea solar, con la cual eventualmente obtuvieron fondos del
Ministerio Federal de Investigación y Tecnología de Alemania para la construcción de un
prototipo.
Se construyó una planta piloto experimental de 50 kW de capacidad con el diseño de
Schalich en la localidad de Manzanares, España, a unos 50 km al sur de Madrid en un sitio
proporcionado por la empresa española Unión Eléctrica Fenosa. La planta fue construida con
materiales simples para minimizar costos, la chimenea se construyó con una altura de 195 m y
10 m de diámetro y el colector con un diámetro de 240 m y en la base de la chimenea se ubicó
una turbina simple de eje vertical. La planta fue altamente instrumentada con más de 180
sensores para registrar el comportamiento de la planta segundo a segundo. La planta piloto
estuvo en operación desde 1982 con sólo salidas de operación ocasionales para
modificaciones de desarrollo hasta 1986. Desde mediados de 1986 hasta principios de 1989,
cuando fue puesta fuera de operación, la planta operó continuamente por un periodo de 32
meses con una disponibilidad mayor al 95% (J. Schlaich, J. Kern 1995).
Se probaron varios materiales para el techo del colector, el desempeño de la planta fue
monitoreado de cerca y los resultados fueron interpretados. En paralelo con las pruebas en la
planta, SBP desarrolló el modelado numérico del comportamiento termodinámico de una
chimenea solar genérica y los métodos de cálculo fueron confirmados por expertos (B. Gerwick
(1995) y S. Jansen, G. Rockendorf et al (1996)) y los resultados de las simulaciones fueron
verificadas por los datos obtenidos de la planta en Manzanares.
Ya que principalmente el tipo de techo del colector determina los costos de
funcionamiento de la planta, se probaron diferentes métodos de construcción y materiales en el
colector de la planta de Manzanares. El techo de un colector realista para una planta de gran
escala debe medir de 2 a 6 metros de altura sobre el nivel del suelo, según Schlaich, por esta
razón se seleccionó la mínima altura realista de 2 m para la pequeña planta de Manzanares,
aunque la altura ideal para su diseño era de tan sólo 50 cm. Por lo tanto sólo se pudieron
obtener 50 kW en la planta de Manzanares, pero esta altura realista permitió un acceso
conveniente a la turbina instalada en la base de la chimenea. También fue posible, gracias a su
diseño, investigar el uso adicional del colector solar como invernadero al plantar vegetales en
el.
El objetivo del proyecto de investigación en Manzanares fue el de verificar, a través de
mediciones de campo, el desempeño de la planta proyectado de los cálculos basados en la
teoría y, el de examinar la influencia de componentes individuales en la salida de la planta y su
eficiencia
bajo
condiciones
meteorológicas
y
de
ingeniería
reales.
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Las principales dimensiones y datos técnicos de la planta eran los siguientes:
Altura de la chimenea
194.6 m
Radio de la chimenea
Radio promedio del colector
5.08 m
122 m
Altura promedio del techo del colector
Número de aspas de la turbina
1.85 m
4
Longitud del aspa de la turbina
Perfil del aspa de la turbina
5m
FX W-151-A
Relación de la velocidad del aspa a la velocidad del aire
Relación de transmisión
1 a 10
1 a 10
Modos de operación de la turbina
Incremento típico de la temperatura del aire en el colector
Stand-by o conectada a la red
T = 20 K
Salida nominal
50 kW
Área del colector cubierta con película plástica
40,000 m2
Área del colector cubierta con vidrio
6,000 m2
Tabla 4. Principales datos técnicos de la planta de Manzanares, España.
Fig. 23. Fotografía aérea de la planta de Chimenea Solar en Manzanares, España.
El prototipo de Manzanares fue diseñado para un periodo de alrededor de 3 años de
experimentos y con la intención de ser desmantelado al final del periodo. Por esta razón, la
chimenea se construyó con hojas de acero trapezoidales de calibre 1.25 mm y una profundidad
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de corrugado de 150 mm, las cuales podían ser reutilizadas al final del proyecto. La chimenea
se encontraba sobre un anillo de soporte a 10 m sobre el nivel del suelo, el cual era soportado
por 8 delgadas columnas tubulares, de modo que el aire caliente podía fluir prácticamente sin
obstáculos hacia la base de la chimenea. Una membrana pretensada de tela plástica,
dispuesta a manera de que proporcionara buenas características de flujo, formaba la transición
entre el techo del colector y la base de la chimenea. La torre estaba atirantada en cuatro
niveles y en tres direcciones a los cimientos con delgadas varillas de acero y asegurada con
anclajes de roca. El uso de cables galvanizados, los cuales son utilizados para atirantar
estructuras similares, no fue factible dentro del marco financiero dado. La chimenea fue alzada
al nivel del suelo utilizando un método de levantamiento incremental especialmente
desarrollado y propuesto por Brian Hunt de SBP: primero la sección más alta de la torre se
instaló sobre un anillo de elevación en el suelo y luego fue levantado hasta el anillo de soporte
por medio de gatos hidráulicos. Subsecuentemente las otras secciones se ensamblaron en el
suelo, se conectaron a las secciones más altas ya instaladas y después todo el ensamble se
levantó de manera que la torre completa se construyó en 20 secciones de 10 m cada una.
Claro está que este método de construcción temporal no es razonable para una chimenea solar
para la cual se pretenda un periodo de vida largo. Bajo condiciones realistas, la chimenea
debería de ser construida usualmente con concreto reforzado.
La turbina estaba soportada independientemente de la chimenea en un marco de acero
a 9 m sobre el nivel del suelo. La turbina tenía cuatro aspas con ángulos ajustables según la
velocidad del aire para poder alcanzar una caída de presión óptima a través de ella. Tan pronto
como la velocidad vertical del aire excedía 2.5 m/s la turbina se ponía en marcha de manera
automática y entraba a la red pública, alcanzando un máximo de 12 m/s durante su operación.
La elección de las dimensiones y perfiles adecuados para las palas del rotor fue mucho más
simple que lo que hubiera sido para una turbina eólica exterior convencional, ya que en la
chimenea no pueden ocurrir cambios bruscos en la velocidad del aire ni existe el peligro de
separación de flujo. También fue posible fabricar las palas del rotor con capas de fibra de vidrio
y espuma rígida, ya que el rotor se encontraba protegido de la influencia externa dentro de la
chimenea y por lo tanto la superficie lisa de las palas, la cual es crucial para un buen
desempeño aerodinámico, se conservó en estado óptimo a largo plazo.
Fig. 24. Fotografía de la turbina eólica instalada en la base de la chimenea.
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El techo del colector solar debía ser no solo una cubierta transparente o translúcida,
pero también debía ser durable, fácil de construir y con un precio razonable. Para tal propósito
se desarrolló una estructura de soporte para el techo extremadamente económica en términos
de materiales. Una variedad de tipos de láminas plásticas, así como de vidrio, fueron
seleccionadas para determinar cuál de ellas era la más efectiva. Se usaron membranas
plásticas de 6 x 6 metros, las cuales se sujetaron a secciones del mismo tamaño de la
estructura de soporte y se tensaron hacia el suelo en su centro mediante el uso de placas con
orificios de drenaje. Para las secciones del colector que fueron cubiertas con vidrio se utilizaron
paneles de vidrio de 4 mm de espesor, los cuales fueron sujetados a barras planas de acero,
inclinadas a propósito y con 1 m de separación entre ellas; los paneles eran soportados por
vigas ligeras colocadas transversalmente debajo de ellos. En ambas versiones de cubierta de
colector, el techo era soportado en secciones de 6 x 6 m por columnas delgadas de acero de
manera que el aire podía fluir prácticamente sin obstáculos debajo del colector hasta la base de
la chimenea. El coste de inversión inicial de las membranas plásticas es menor que el del
vidrio, sin embargo, en Manzanares las membranas plásticas se tornaron quebradizas con el
tiempo y tendían a rasgarse. El vidrio resistió fuertes tormentas por muchos años sin dañarse y
probó ser auto-limpiable gracias a las lluvias ocasionales. Mejoras en el material (estabilidad
térmica y resistencia a la radiación UV) y en el diseño (domos de membrana) alcanzadas en los
últimos años ayudaron a superar estas desventajas en particular. Los daños esporádicos a la
película plástica del colector fueron reparados sin que fuera necesario apagar la planta.
Fig. 25. Fotografía del interior del colector solar, aprovechado como invernadero de
cultivo.
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Fig. 26. Fotografía que muestra la etapa de construcción del colector solar usando una
cubierta plástica.
La finalización de la fase de construcción en 1982 fue seguida por la fase de
experimentación, cuyo propósito era demostrar el principio de operación de la chimenea solar.
Los objetivos de esta fase del proyecto eran: (1) obtener datos de la eficiencia de la tecnología
desarrollada, (2) demostrar un funcionamiento totalmente automático con un alto grado de
confiabilidad, como una gran planta de energía de cualquier otro tipo y (3) registrar y analizar el
comportamiento operacional y las relaciones físicas de la planta con base en mediciones a
largo plazo.
En la siguiente gráfica los datos de operación principales (radiación solar, velocidad del
aire y salida de potencia eléctrica) se muestran para un día típico de operación.
Fig. 27. Gráfica que muestra los datos medidos de radiación solar, velocidad del aire y
salida de potencia eléctrica para un día típico de operación de la planta.
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Dos puntos deben ser señalados: primero, que la salida de potencia durante el día se
correlaciona estrechamente con la radiación solar para esta pequeña planta sin
almacenamiento adicional de energía y, segundo, que aún en la noche existe una corriente de
aire ascendente que puede ser usada para producir energía durante este periodo. Si se
aumenta el tamaño del colector solar, esto es, si se aumenta la inercia térmica del sistema,
este efecto se incrementa. En la siguiente gráfica se muestran la velocidad del aire y la
potencia eléctrica obtenidas como una función de la radiación solar medidas durante el día 8 de
Junio de 1987.
Fig. 28. Gráfica que muestra la velocidad del aire y la potencia eléctrica obtenidas
como una función de la radiación solar medidas durante el día 8 de Junio de 1987.
La planta de Manzanares operó por cerca de 15,000 horas desde 1982 en adelante. Se
realizaron las siguientes pruebas en el curso del proyecto:
Se probaron diferentes materiales para la cubierta del colector, tomando en
consideración su conveniencia estructural, durabilidad e influencia en el
desempeño de la planta.
Se registró el comportamiento de la planta como un sistema completo segundo
a segundo (temperatura del suelo, temperatura, humedad y velocidad del aire,
transparencia del colector, desempeño de la turbina, datos meteorológicos,
etc.).
Se probó la capacidad de almacenamiento térmico del suelo del colector en
términos de la temperatura del colector y humedad de la tierra. Para investigar
la absorción y almacenamiento de calor en el suelo, se probó por turnos dejar
el suelo al natural, rociarlo con asfalto negro y cubrirlo con plástico negro.
Se desarrollaron y probaron diversas estrategias de regulación en la turbina.
Se investigaron los costos de mantenimiento y operación de cada componente
de la planta.
El programa de simulación termodinámica de la planta – el cual para ese
tiempo ya había sido completamente desarrollado – fue verificado con la ayuda
de los resultados experimentales de la planta y las pruebas de túnel de viento
realizadas a la par. Usando el programa de simulación fue posible hacer
cálculos confiables de la producción de energía anual y diaria de la planta con
condiciones locales específicas, datos meteorológicos locales y las
dimensiones reales de la planta.
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En 1986 los trabajos de mejora estructural que hicieron necesarias ocasionales
interrupciones de operación fueron completados. Después de eso, desde mediados de 1986
hasta principios de 1989 fue posible operar la planta sobre una base diaria regular, excepto por
un periodo de 4 meses en el cuál se puso fuera de operación para mediciones especiales y
modificaciones específicas. Durante este periodo de 32 meses, la planta operó de manera
completamente automática por un promedio de 8.9 horas por día para un total de 8,611 horas
de operación. Se necesitó de una sola persona para supervisión. Durante el periodo de 32
meses, la confiabilidad de la planta fue superior al 95%. El periodo no operacional
representado en el 5% restante se debió a desconexiones automáticas de la planta cuando
ocasionalmente la red eléctrica española fallaba. Tan pronto como la velocidad del aire en la
chimenea excedía un valor preestablecido, típicamente 2.5 m/s, la planta arrancaba y se
conectaba a la red pública automáticamente. En 1987 se registraron un total de 3,067 horas
con una radiación solar horizontal global mayor a 150 W/m 2 en el sitio de Manzanares. En ese
año, el tiempo total de operación de la planta con entrega de potencia a la red fue de 3,157
horas, incluyendo 244 horas de producción y entrega de potencia durante la noche, lo cual
pone de manifiesto el efecto del almacenamiento térmico del suelo. La máxima salida de
potencia de la planta fue de 41 kW y ocurrió desde Julio hasta Septiembre de 1982.
Desde un punto de vista estructural el vidrio resultó ser preferible a las películas
plásticas para la cubierta del colector. Las películas plásticas se tornaron quebradizas y se
rasgaron con las tormentas durante el primer año de operación, mientras que el vidrio
sobrevivió sin daños durante la totalidad del proyecto, a pesar de haber sido expuesto a
tormentas severas e incluso a granizo. Además, la lluvia conservó limpio el techo de vidrio, con
lo cual sus propiedades ópticas se mantuvieron prácticamente invariantes.
La turbina fue examinada por la firma manufacturera después de 7 años de operación
en 1988 y no se encontró desgaste. Durante la operación normal de la planta sólo tuvieron
lugar inspecciones visuales y cambio de aceite en la turbina, lo que significa que hasta el
componente más complejo de la planta puede tener una alta esperanza de vida.
Las barras de los tirantes de la chimenea no fueron protegidas contra la corrosión
debido a la proyección temporal de la duración de la planta. Para la primavera de 1989 ya se
habían oxidado de tal forma que se rompieron durante una tormenta y la chimenea cayó. Esto
fue predecible, aún así, los soportes duraron 8 años en vez de los 3 años requeridos al inicio
del proyecto – cuando la chimenea cayó, ya se habían realizado todas las mediciones y
pruebas necesarias. Como ya se mencionó, la chimenea fue construida con materiales ligeros
no permanentes debido a que se planeó desmantelarla al final del proyecto, ya que el continuar
con la operación de una planta de sólo 50 kW no tiene sentido económico.
Estos resultados muestran que la planta fue capaz de operar con un alto grado de
confiabilidad. La inercia térmica es un rasgo característico del sistema, la operación continua a
lo largo del día es posible y, para sistemas grandes, las fluctuaciones abruptas en el suministro
de energía son amortiguadas efectivamente.
Para alcanzar una comprensión total de las relaciones físicas y para identificar puntos
de abordaje para posibles mejoras, fue desarrollado un código de simulación en computadora
que describe los componentes individuales, el desempeño y la interacción dinámica de éstos.
Este programa fue verificado con base en los resultados de las mediciones experimentales en
Manzanares. Ahora el programa es una herramienta de desarrollo que toma en cuenta todos
los efectos conocidos y con la ayuda del cual el comportamiento termodinámico de las plantas
de gran escala bajo condiciones meteorológicas dadas puede ser calculado anticipadamente
(Haaf, 1984; Weinrebe, 2000).
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Usando este código de simulación elaborado para el proyecto, basado en elementos
finitos, que resuelve las ecuaciones de conservación de la energía, momentum y masa, el
desempeño teórico de la planta fue calculado y los resultados fueron comparados con las
mediciones obtenidas en la planta. El código incluye la simulación del comportamiento del
colector basado en la teoría del colector estándar (Duffie y Beckman, 1991), extendido por la
inclusión de los efectos del almacenamiento térmico en el suelo natural del colector y – si es
requerido – el almacenamiento térmico adicional por medio de contenedores con agua (Kreetz,
1997). La dinámica de fluidos del colector, turbina y chimenea es calculada tomando en
consideración la fricción en los componentes respectivos del sistema. El cálculo de las caídas
de presión se basa en procedimientos de cálculo estándar (Verein Deutscher Ingenieure
(1998)) y, cuando éstos se consideran no aplicables o no suficientes, en datos de experimentos
como las pruebas en túnel de viento. El modelo del comportamiento de la turbina se basó en
cálculos de CFD hechos por el Instituto de Dinámica de Fluidos y Maquinaria Hidráulica de la
Universidad de Stuttgart (Ruprecht, 2003).
La siguiente figura muestra una gráfica que compara los datos calculados y medidos de
las salidas de energía mensuales promedio de la planta. Se observa que existe concordancia
entre los datos teóricos y los experimentales. Más aún, se puede decir que los procesos
ópticos y termodinámicos de una planta de chimenea solar son bien comprendidos y que los
modelados han alcanzado un grado de madurez que les permite reproducir acertadamente el
comportamiento de una planta bajo condiciones meteorológicas dadas.
Fig. 29. Gráfica que compara los datos calculados y medidos de las salidas de energía
mensuales promedio de la planta.
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3.2. VARIANTES TÉCNICAS DE LA APLICACIÓN
A continuación se describen algunas de las variaciones que se han desarrollado
alrededor de la idea de una chimenea solar. Se presentan solamente las ideas de las cuales se
tiene información documentada y detallada al respecto, ya que existen infinidad de otras ideas
que, aunque interesantes, no poseen la formalidad necesaria para su descripción. De todas las
ideas, con excepción de Tornado y JVR, se han realizado simulaciones computacionales y al
menos para AVE se han construido prototipos.
3.2. 1. Chimenea Solar con Tobera Convergente en el Colector
Herman Coetzee, del Centro de Tecnología de Botswana, en Gaborone, Botswana,
presentó un trabajo en 1999 titulado “Diseño de una chimenea solar generar electricidad
empleando una tobera convergente” donde propone el uso de las chimeneas solares para
proveer de energía eléctrica a las zonas rurales de los países en desarrollo. Las chimeneas
para tal propósito deberían ser significativamente más pequeñas que los diseños propuestos
de gran escala para poder ser construidas en dichas localidades, lo que reduciría en gran
medida la velocidad del aire alcanzada. Para solucionar este inconveniente, se propone el uso
de una tobera convergente en la base de la chimenea y salida del colector. La tobera
incrementaría la velocidad del aire elevando su energía cinética y por lo tanto más energía
podría ser extraída por la turbina.
Coetzee realizó los cálculos para una planta pequeña con una chimenea de 36 m de
alto y 4 m de diámetro, debido a la disponibilidad de tubos de plástico reforzado con estas
medidas en su localidad. El colector de su diseño es un cuadrado de 40 m de lado, de forma
piramidal. Coetzee acepta el hecho de que estas dimensiones son demasiado pequeñas, pero
se trata sólo de un prototipo, así que una chimenea real debería ser más grande que la aquí
propuesta.
Los cálculos de radiación solar muestran que la energía útil para un día de invierno (el
peor de los casos a considerar) en Botswana es de 4,056 Wh/día por metro cuadrado del área
de la base de un colector de forma piramidal con un ángulo de 30°. Para una chimenea de 36
m de alto y 4 m de diámetro, se encontró que la velocidad del aire es de 3.53 m/s y la máxima
salida teórica de potencia es de 49.24 W. Empleando una tobera convergente, la velocidad se
incrementa a 15 m/s y la potencia a 887.8 W, según los cálculos de Coetzee, con lo cual valida
su propuesta.
Fig. 29. Chimenea Solar de tobera convergente
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3.2. 2. Chimenea divergente
Los ingenieros Atit Koonsrisuk y Tawit Chitsomboon, del Instituto de Ingeniería de la
Universidad de Tecnología Suranaree en Nakhon Ratchasima, Tailandia, presentaron un
trabajo durante la 2ª Conferencia Internacional Sobre Energía Sustentable y Medio Ambiente
en Bangkok, Tailandia en Noviembre de 2006, titulado “Efecto del cambio de área en el
potencial de la chimenea solar” donde analizan el efecto del cambio del área de sección
transversal de la chimenea solar y su efecto en el desempeño de la planta.
En la siguiente figura se muestra una chimenea convergente en (a) y una chimenea
divergente en (b).
Fig. 30. Chimenea convergente (a), Chimenea divergente (b).
Koonsrisuk y Chitsomboon analizaron diseños de chimeneas convergentes y
divergentes con la ayuda de CFD y se compararon con los datos obtenidos para una chimenea
recta. Se encontró que para las chimeneas convergentes, la velocidad del aire aumenta hasta
alcanzar su máximo en la salida de la chimenea. Por otro lado, en las chimeneas divergentes la
velocidad del aire aumenta hasta alcanzar un máximo justo después de entrar en la chimenea.
Para el flujo másico se reportó que una chimenea convergente disminuye el flujo másico y una
chimenea divergente lo aumenta. Para la temperatura del aire se encontró que en ambos
diseños el aire aumenta su temperatura al entrar en el colector y acercarse a la chimenea, para
después permanecer relativamente constante. En una chimenea convergente el aumento de
temperatura es mayor que en una chimenea divergente, ya que al ser menor el flujo másico, el
aire pasa más tiempo dentro del colector y puede aumentar más su temperatura, mientras que
en una chimenea divergente, con un flujo másico mayor, el aire tiene menos tiempo para elevar
su temperatura. Se encontró también que en una chimenea divergente, hay una caída abrupta
de la temperatura del aire seguida por una rápida recuperación justo en el momento en que el
aire pasa por el punto de máxima velocidad en la base de la chimenea, debido a la
conservación de la energía. Estos factores hacen que para una chimenea convergente, la
energía cinética del aire permanezca prácticamente constante como en el caso de una
chimenea recta, pero para una chimenea divergente, la energía cinética aumenta de manera
considerable y tiene un máximo en la base de la torre.
Koonsrisuk y Chitsomboon concluyen que una chimenea divergente ayuda a
incrementar el flujo másico, velocidad y energía cinética del aire por sobre los valores de una
chimenea recta de la misma altura. Una razón de área entre la entrada y la salida de la
chimenea de 16 puede producir 94 veces la energía cinética que la que produciría una
chimenea recta de las mismas características. Para una chimenea convergente la velocidad del
aire aumenta en la parte alta, pero el flujo másico decrece de manera que la energía cinética
permanece igual al caso de la chimenea recta. Para la chimenea divergente, la máxima energía
cinética ocurre en la base de la torre, lo que sugiere el potencial de extraer más potencia que
en el caso de la chimenea recta.
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3.2. 3. Chimenea flotante
El desempeño de una planta de chimenea solar está fuertemente determinado por la
altura de la chimenea, la cual debe ser lo más alta posible para poder obtener cantidades
importantes de energía. El profesor Schlaich ha propuesto chimeneas de hasta 1000 metros de
altura construidas con concreto reforzado, pero el costo y dificultad de una construcción de
tales características son los principales obstáculos para la implementación de la tecnología. El
profesor Christos D. Papageorgiou, de la Universidad Nacional Técnica de Atenas, Grecia,
presentó en el 2003 una alternativa para la construcción de la chimenea. Papageorgiou
propone reemplazar la chimenea de concreto por una estructura de tela inflada con gas ligero,
cómo en un globo aerostático. A esta innovación, Papageorgiou la llama Floating Solar
Chimney, o Chimenea Solar Flotante.
La chimenea flotante está hecha de un conjunto de globos con forma de anillos
tubulares, los cuales se llenan con helio o algún otro gas más ligero que el aire. Estos globos
rodean a un cilindro interior de tela y mantienen su posición vertical. Tanto los globos tubulares
como el cilindro interior, estarían fabricados con telas como el polyester, similar al que ya se
utiliza para la construcción de globos aerostáticos. Para que la estructura mantenga su rigidez,
los globos tubulares deben estar a una mayor presión que el aire ambiental. De esta manera, la
chimenea no puede ser deformada por los vientos a los que sea expuesta o por las presiones
de operación en su interior. En la parte baja de la chimenea, donde ésta se une con el colector,
se encuentra una estructura de soporte plegadiza, tipo acordeón, la cual permite que la
chimenea se incline sin daño alguno frente a los vientos que puedan golpearla. Papageorgiou
dice que actualmente es posible fabricar estructuras de este tipo de más de 1000 m de altura,
lo que reduciría significativamente la inversión inicial de una planta de chimenea solar.
Fig. 31. Detalles de la chimenea flotante.
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3.2. 4. Colector inclinado
E. Bilgen y J. Rheault, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela
Politécnica de Montreal, Quebec, Canada, presentaron un trabajo en 2004 titulado “Plantas de
potencia de chimenea solar para altas latitudes”, en donde proponen el uso de un colector solar
inclinado construido sobre la ladera de una colina, para optimizar la captación de energía solar
y obtener un buen desempeño en una planta que se construya en latitudes alejadas de los
trópicos, donde la radiación solar es menor.
Fig. 32. Esquema de la chimenea con colector inclinado.
Bilgen y Rheault llevaron a cabo un estudio para tres localidades canadienses: Ottawa,
Winnipeg y Edmonton, para las cuales existen datos meteorológicos disponibles (radiación
solar, temperatura y velocidad del viento). Las locaciones fueron seleccionadas para obtener
un amplio rango de latitudes, que varían desde 45.5° hasta 53.6° norte. Por análisis
paramétricos se encontró que el ángulo óptimo de la pendiente del colector, para maximizar la
captación solar, es de 5° a 7° menor que la latitud, lo que es un resultado esperado.
Los autores desarrollaron un código del modelo matemático con el cual simularon el
comportamiento de una chimenea solar de 5 MW nominales en las tres localidades y
encontraron que, a pesar de la radiación solar poco favorable en planos horizontales para tales
latitudes, la producción anual de energía eléctrica puede ser de hasta un 85% de la producción
de una planta con igual área de colector en una región tropical. Ya que un colector inclinado
funciona también como chimenea, la altura de la chimenea real puede ser reducida hasta en un
90% para producir la misma potencia que una planta de colector horizontal con igual área. Una
chimenea más pequeña reduce el costo de inversión inicial y elimina algunos problemas de
construcción pero puede crear otros gastos y problemas debido al reto de construir una
estructura tan grande en la ladera de una colina, este aspecto debe ser estudiado para cada
localidad.
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3.2. 5. SNAP
En 1975, el Dr. Philip Carlson recibió una patente estadounidense por un método de
producción de energía eléctrica a través del flujo de aire frío por una chimenea. El Prof. Dan
Zaslavsky, del Instituto Israelí de Tecnología, Technion, en Haifa, Israel, retomó la idea del Dr.
Carlson y junto con su equipo de Technion desarrolló una propuesta de mejora a dicho método.
El proyecto se conoce como SNAP (SNeh Aero-electric Power) o Energy Tower, el cual
consiste en una torre alta y hueca, del tipo de una gran chimenea, de 400 m o más de altura y
diámetro de más de 100 m, aunque las dimensiones óptimas podrían ser de 400 a 500 m de
diámetro y hasta 1000 m de altura. En la parte alta de la chimenea se encuentra instalado un
sistema de aspersores que rocía agua fría hacia el interior de la chimenea. El agua extrae calor
del aire y se evapora parcialmente, haciendo que el aire se enfríe. El aire frío dentro de la
chimenea es más pesado que el aire fuera de ésta, por lo que tiende a descender, produciendo
un efecto opuesto al de las chimeneas comunes y más concretamente, un funcionamiento
opuesto a las otras propuestas de chimenea solar. Con un diseño conveniente, el aire
descendente alcanzará una velocidad importante y podrá impulsar un conjunto de turbinas
ubicadas en la base de la torre. La energía se extrae del calor contenido en el aire atmosférico,
así que finalmente, es la energía solar la que alimenta al dispositivo. Una de las ventajas del
diseño, es que a diferencia de otras ideas, no necesita de un colector para capturar la radiación
solar.
Fig. 33. Ilustraciones de la planta SNAP.
Los principios básicos de la torre han sido revisados en repetidas ocasiones por
expertos. Estas revisiones indican que los principios físicos han sido confirmados
completamente, incluyendo los cálculos de la entrega neta de potencia, la cual se estima que
sea de 200 hasta 600 MW. También se ha establecido que las torres pueden ser construidas
con técnicas ya conocidas y probadas. El agua deberá ser bombeada hasta la cima de la torre,
pero la energía empleada en ello es menor que la energía que la planta produce. El agua
puede ser tomada de un río o lago cercano o, inclusive ser agua de mar. Si se utiliza agua de
mar, se puede obtener agua potable como subproducto de la planta, aumentando su valor.
Esta característica hace de la planta una propuesta muy interesante, aunque aún se estudia
cómo lidiar con la corrosión que el agua salada generaría en la torre. El funcionamiento de la
planta requiere de sitios con climas cálidos y secos, pero a la vez se requiere de fuentes de
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agua cercanas como ríos, lagos o el mar. El medio oriente (la idea se desarrolló para Israel)
cuenta con éstas características pero también otros lugares alrededor del mundo, como la
costa oeste de África, el oeste de Australia, India, el Golfo de California, etc.
En el año 2000, la idea fue revisada por un grupo de más de 70 científicos del Consejo
de Tecnología, Información, Previsión y Evaluación, TIFAC, de la India. El TIFAC se acercó al
gobierno israelí para cooperar en la futura construcción de una planta demostrativa y
comercializar el proyecto. El gobierno israelí dio una respuesta favorable a la propuesta y se
acordó que ambos países promoverían el proyecto. Se planea construir la planta demostrativa
con una potencia de 6.5 a 10 MW y probablemente será localizada en la India.
3.2. 6. Tornado de Lucier
El inventor Robert E. Lucier, de Ontario, Canadá, presentó en 1979 una patente en los
Estados Unidos con el título: “Sistema para la conversión del calor solar en energía eléctrica”,
donde describe un sistema para captar la radiación solar mediante un colector y calentar aire
atmosférico con ella, para después dirigir ese aire caliente hacia una chimenea instalada en el
centro del colector y hacer girar una turbina eólica. Lucier llama a este sistema: “Tornado”.
El Tornado consiste de una estructura techada de tipo invernadero, que actúa como
colector solar, en la cual la radiación solar calienta el aire dentro de ella. El aire caliente se
vuelve más ligero que el aire exterior y fluye hacia el centro del colector, donde se encuentra
instalada una chimenea. En la base de la chimenea, donde ésta se une con el colector, se
encuentra una pared cilíndrica con una serie de aberturas en su periferia con cierto ángulo, que
actúan como deflectores, haciendo que el aire gire antes de entrar en la chimenea. Después de
pasar por los deflectores, el aire en rotación asciende hacia la chimenea, donde en su parte
baja reduce su área de sección transversal para después aumentar hasta su diámetro original,
esto con la intención de aumentar la velocidad del flujo del aire. En la sección de menor área (y
mayor velocidad) se instala una turbina eólica especialmente diseñada para las características
del flujo de aire. La turbina está acoplada a la flecha de un generador eléctrico, el cual produce
electricidad.
Fig. 34. Detalles de Tornado, tomados del documento de patente.
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3.2. 7. AVE
El ingeniero eléctrico y de control de procesos, Louis M. Michaud, de Ontario, Canadá,
obtuvo en el 2006 una patente en los Estados Unidos para un concepto en el cual estuvo
trabajando desde la década de los 70’s bajo el título de “Atmospheric Vortex Engine” (motor de
vórtice atmosférico), o AVE.
Michaud comenta sobre la chimenea solar de Schlaich y apunta que aún cuando la
idea cuenta con múltiples ventajas, la gran altura que debe tener la chimenea la convierte en
una propuesta poco viable para sustituir a las grandes plantas termoeléctricas de energía. Para
resolver este inconveniente, Michaud desarrolló el AVE, que toma del diseño de Schlaich el
principio de extraer energía de una masa de aire atmosférico en convección ascendente y del
diseño de Nazare el principio de producir de manera artificial un fenómeno de aire en rotación,
como un tornado pequeño o un “demonio de polvo”.
El AVE crea un vórtice de tipo tornado para capturar la energía mecánica producida
durante la convección ascendente del aire caliente. El vórtice es creado cuando aire caliente y
húmedo es admitido tangencialmente en la base de una estructura cilíndrica. La fuente de calor
puede ser energía solar, agua cálida de mar o calor de desecho industrial. El AVE tiene el
mismo principio termodinámico que la chimenea solar, excepto que la chimenea física es
reemplazada por la fuerza centrípeta del aire en rotación y el colector solar es reemplazado por
la superficie terrestre en su estado natural. La energía mecánica es capturada en un conjunto
de turbinas eólicas ubicadas en la periferia de la estructura. La propuesta del AVE fue
presentada inicialmente por Michaud en el boletín de la Sociedad Americana de Meteorología
en 1975 y expandida después en 1999 en el periódico de Energía Aplicada.
Michaud propone para la estructura cilíndrica un diámetro de 200 m y una altura de 100
m, el vórtice de aire tendría un diámetro de 30 m en su base y podría tener una altura de hasta
15 km. Un sistema con estas características podría generar de 200 a 500 MW de potencia
eléctrica. La planta AVE parecería una torre de enfriamiento de convección natural con un
pequeño tornado en su centro.
El proceso se inicia con la admisión de aire caliente de manera tangencial hacia la base
de la estructura cilíndrica ya mencionada, esto produce un vórtice convectivo que actúa como
una chimenea dinámica. El vórtice puede ser iniciado calentando temporalmente el aire cerca
del centro de la arena con combustible o con vapor. El calor de inicio (combustible o vapor),
puede ser inyectado en las entradas de aire tangenciales para ayudar a que el aire entre en la
estación y al mismo tiempo elevar su temperatura. La diferencia de presión entre el aire
ambiental que rodea a la estación y la base del vórtice es aprovechada para accionar un
conjunto de turbinas ubicadas en la periferia de la estructura, en las entradas de aire. El aire
caliente entra en el área encerrada por la estructura cilíndrica, llamada arena, a través de
ductos orientados tangencialmente. El flujo de aire es controlado con restrictores ajustables
localizados antes de los calentadores de aire o dentro de los ductos tangenciales de aire. La
estructura cuenta con un techo con una abertura circular en su centro, esto para obligar al aire
que entra a converger y formar un vórtice con un diámetro un poco menor que el diámetro de la
abertura en el techo. El vórtice se detiene si se restringe el flujo de aire caliente. Ya que, en
general, el AVE es una torre de enfriamiento, el sistema podría ser usado para enfriar el agua
de una central convencional, lo que aumentaría la eficiencia de la planta.
En estos momentos, el profesor Michaud se encuentra trabajando en el concepto y
buscando fondos para construir una planta piloto demostrativa.
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Fig. 35. Esquemas que muestran el funcionamiento de AVE.
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4. PERSPECTIVAS DE LA
TECNOLOGÍA
Durante la década de los 90’s el concepto de chimenea solar despertó el interés
científico y comercial alrededor del mundo, particularmente de Roger Davey, fundador de
EnviroMission y presidente de SolarMission Technologies Inc., quien adquirió la licencia al final
de la década para desarrollar el concepto y comercializarlo.
La compañía EnviroMission Limited se formó en julio del año 2000 en Australia. Siendo
mayormente propiedad de SolarMission Technologies Inc. (US), se fusionó con Prudential West
Limited, compañía con base en Perth, Australia, para convertirse en una compañía de
propiedad mayormente australiana.
EnviroMission es la desarrolladora de la licencia australiana exclusiva para la
tecnología de chimenea solar. El profesor Schlaich y su firma, Schlaich Bergermann und
Partner, continúan involucrados en el proyecto como ingenieros de diseño para EnviroMission.
Cerca de 40 millones de dólares han sido invertidos a la fecha para el desarrollo y la
comprobación de la tecnología a través de investigación y de estudios de viabilidad para la
construcción de una planta comercial. Una firma independiente confirmó que los conceptos de
diseño y métodos de construcción para una planta de chimenea solar propuesta están
adecuadamente comprobados y que la planta puede ser construida en Australia. EnviroMission
ha buscado continuamente el apoyo del gobierno australiano, que con el tiempo incluiría
también apoyo con fondos de nivel estatal y federal para asegurar las perspectivas comerciales
del desarrollo. Diversos consultores y compañías se han involucrado en el proyecto y los
resultados a la fecha han sido alentadores. Se han logrado varios detalles de diseño
importantes y mejoras en los métodos de construcción, todos ellos con el objetivo de mejorar la
economía del proyecto. Después de negociaciones con una amplia gama de compañías a lo
largo de 2002 y principios de 2003, EnviroMission firmó un Memorando de Entendimiento con
Australian Gas Light Electricity (AGLE) Ltd en junio de 2003. El Memorando de Entendimiento
establece un arreglo exclusivo para que AGLE pueda tomar el 100% de la energía verde y
Certificados de Energía Renovable generados por el proyecto.
La planta de chimenea solar que EnviroMission planea construir en Australia contará
con una chimenea de 1000 m de altura, lo que haría de ella la estructura construida más alta
del mundo. El colector solar tendrá un radio de 3500 m y será una de las estructuras techadas
más grandes construidas. La planta contará con 32 turbinas de 6.25 MW cada una, ubicadas
alrededor de la base de la chimenea, que en conjunto representan 200 MW nominales.
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Fig. 36. Representación artística del proyecto de Mildura.
Los niveles adecuados de radiación solar y la cercanía con infraestructura existente
para la transmisión de potencia eléctrica, son los factores que generalmente gobiernan la
localización de una planta de chimenea solar. Los siguientes criterios fueron tomados en
cuenta para la selección del sitio:
Sitio clasificado como no ciclónico, localizado en una zona con bajas
velocidades de viento, definido por el Estándar Australiano AS1170-2.
Preferentemente localizado en una zona no sísmica y de bajo riesgo, con un
coeficiente de aceleración aproximadamente de 0.05, definido por el Estándar
Australiano AS1170-4.
Idealmente con un estrato de roca para un diseño económico de los cimientos
de la torre y una adecuada seguridad de carga y estabilidad.
Sitio no sujeto a precipitaciones excesivas, como granizo o tormentas de arena.
EnviroMission evaluó sitios potenciales en Victoria, Nueva Gales del Sur, Australia
Occidental, Australia del Sur y Queensland. De los sitios evaluados, la Estación Tapio, en el
pueblo de Buronga, fue considerada financiera y técnicamente viable para la primer chimenea
solar de Australia. El sitio seleccionado se encuentra localizado al noreste de la ciudad de
Mildura, Victoria, justo dentro de Nueva Gales del Sur y al norte del río Murray,
aproximadamente a 20 km del pueblo de Buronga en la intersección de las carreteras Arumpo
y Pooncarie. El sitio comprende un área de 10,000 ha al sureste de la Estación Tapio. En la
siguiente figura se muestra la localización del sitio con un punto rojo, que coincide
aproximadamente con la intersección de las fronteras de Nueva Gales del Sur, Victoria y
Australia del Sur.
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Fig. 37. Mapa de Australia que muestra con un punto rojo la localización del proyecto.
Las ventajas del sitio incluyen:
Un nivel de radiación solar de moderado a alto, alrededor de 2,000 kWh/m 2 al
año.
Cercanía a un adecuado punto de conexión a la red eléctrica nacional en alto
voltaje, lo que resulta en un menor costo de capital y reducción de pérdidas en
las líneas de transmisión.
Cercanía a la propuesta línea de transmisión de alto voltaje hacia Australia del
Sur.
Cercanía a infraestructura existente como caminos, ferrocarril e instalaciones
municipales con alojamientos de calidad.
Cercanía a fuentes de materias primas e instalaciones para fabricación de
concreto.
Potencial para sostener negocios no relacionados con la energía, como
turismo, agricultura, acuacultura, telecomunicaciones, etc.
Potencial para contribuir a la mitigación de la salinidad del sitio y posible
recuperación de la sal.
El sitio se encuentra cerca de las fronteras de los estados de Victoria, Nueva
Gales del Sur y Australia del Sur, lo que facilita la transmisión de energía verde
hacia los 3 estados.
EnviroMission ejerció su opción para comprar el sitio en junio de 2004, sujeto a
rezonificación y requerimientos de planeación, incluyendo un cambio de propósito para el
arrendamiento de las tierras occidentales y aprobación de los diferentes órganos de gobierno y
estatutos de Nueva Gales del Sur.
Las principales dimensiones de la planta, sujetas a modificaciones por optimización son
las siguientes:
Capacidad nominal de la planta
Altura de la chimenea
Diámetro interno de la chimenea (constante)
Diámetro del colector
Número y configuración de las turbinas
Capacidad máxima de cada turbina
Uso de tierra o huella de la planta
200 MWe
1000 metros
120 metros
7000 metros (incluyendo la chimenea)
32 unidades dispuestas horizontalmente
6.25 MWe
3,800 hectáreas
Tabla 5. Datos principales de la planta del proyecto de Mildura.
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La chimenea será una estructura delgada de concreto de 1000 m de alto y 120 m de
diámetro interno. Estará asentada sobre cimientos de losa y promete ser la estructura
construida más alta del mundo. El ancho de la pared de la chimenea en su parte más alta será
aproximadamente de 30 cm y crecerá exponencialmente hasta cerca de 1.1 m en su parte más
baja, esto es dictado por los requerimientos de construcción. Los primeros 80 m de la
chimenea comprenden 32 contrafuertes de soporte radiales colocados circunferencialmente y
entre cada uno de ellos se encuentra el ducto de escape de cada una de las turbinas.
Este proyecto representa un gran diseño y reto de construcción que requiere de
estudios y análisis exactos especialmente con respecto a las cargas ocasionadas por el viento.
La pared de la chimenea ha sido estudiada mediante análisis elástico lineal, análisis de
pandeo, análisis no lineales y análisis dinámicos. Los cálculos no lineales completos incluyen
los efectos físicos y geométricos no lineales para el estado límite. El tamaño y diseño de los
cimientos y la compleja base estructural de la chimenea es no sólo dependiente de las cargas
por el viento pero también de las propiedades del suelo del sitio seleccionado, el cual ha sido
encontrado geológicamente apropiado. Las principales cargas inducidas a la chimenea son su
propio peso y el viento, sin embargo, las cargas térmicas y las imperfecciones de construcción
pueden contribuir también al estrés en ella, por lo que han sido estudiadas cuidadosamente.
Las cargas por terremoto no son esperadas en el sitio seleccionado, los efectos menores de
deslizamiento y hundimiento, diferencias de asentamiento, cargas de construcción y
mantenimiento y posibles cargas catastróficas (e.g. impacto de un aeronave) han sido incluidas
en el análisis. Las cargas por viento están basadas en estándares australianos y se han
realizado pruebas preliminares en túnel de viento. El diseño optimizado será validado con el
uso de las instalaciones de túnel de viento australianas. Los datos de diseño, incluyendo la
velocidad y presión promedio del viento cada hora, intensidad de turbulencia, factores de
amplificación de ráfagas de viento, distribución de la presión circunferencial a diferentes
alturas, análisis global del voladizo, coeficientes de arrastre, factores de respuesta dinámica
transversal inducidas por el viento y la respuesta a la formación de vórtices han sido evaluados
para asegurar una estructura inherentemente estable. El buró de meteorología de Australia ha
calculado las cargas térmicas a partir de mediciones reales en el sitio a lo largo de más de 6
años. Ya que estas mediciones comprenden años típicos y no años de temperaturas extremas,
los datos no pueden ser utilizados directamente para el diseño de estado límite. Aún así, estos
datos forman una base aceptable para el diseño preliminar. Las cargas por terremotos para el
sitio seleccionado son calculadas como un octavo de las cargas por viento, según los códigos
australianos, por lo tanto la resistencia a los temblores está garantizada por otros criterios más
dominantes de diseño.
El colector de la planta tendrá un radio de 3500 m y estará diseñado para maximizar la
absorción y minimizar la reflexión de la energía solar incidente. En la parte exterior, el techo del
colector tendrá una altura de 3.5 m sobre el suelo. En este punto, la velocidad del aire es baja y
por lo tanto el aire bajo el colector dispone de de un intervalo de tiempo adecuado y suficiente
para elevar su temperatura alrededor de 14° C en promedio, aunque el máximo aumento de
temperatura ha sido calculado en más de 46° C. La temperatura máxima de diseño en la salida
del colector, donde se encuentran localizadas las turbinas y el techo alcanza una altura de 25
m sobre el suelo al unirse con la chimenea, está calculada en 73° C y alrededor de 83° C en la
base de la torre, después de las turbinas. La temperatura del aire caerá progresivamente al
aumentar la altura hasta llegar a cerca de 5° C, debido a la expansión del aire y no a pérdidas
térmicas a través de la pared de la chimenea.
Las pruebas en Manzanares mostraron que un colector de vidrio soportado por una
estructura ligara de acero es una solución durable y económica. En términos de costos contra
durabilidad y propiedades ópticas, como transmisión de luz y reflexión de infrarrojos, el vidrio
templado es la mejor opción para la parte más interna del colector. Avances recientes en
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policarbonatos y polímeros, que requieren de sistemas de soporte más sencillos y ligeros, han
hecho de estos materiales una opción atractiva para la parte externa del colector. Es probable
que para la superficie interna del colector se utilice vidrio recocido convencional. Las ventajas
son que su capacidad de carga es aproximadamente cuatro veces mayor que la del vidrio
flotado y posee mayor resistencia al granizo. El vidrio templado sufriría menos roturas durante
el transporte y montaje, pero es más caro. Los recientes avances en nuevas cubiertas
sintéticas sugieren que el diseño óptimo para la planta será una combinación de materiales,
con vidrio como cubierta en la parte más interna del colector, donde las temperaturas son altas
y la retención del calor es primordial, y con una cubierta sintética de polímero para la parte
exterior del colector, donde, aún cuando la temperatura es mayor a la temperatura ambiente,
no se justifica el precio mayor del vidrio de baja emisividad. La película plástica deberá tener
propiedades térmicas afines al propósito del colector y alta resistencia a la intemperie y
radiación ultravioleta. Una variedad de materiales han sido analizados con fabricantes y
consultores.
Las 32 turbinas de presión axiales propuestas para la planta aún tienen que ser
producidas comercialmente. Proveedores internacionales se encuentran trabajando en el
desarrollo de diseños a la medida del proyecto. Las ventajas anunciadas para las turbinas de
presión son una mayor salida de potencia para un diámetro de rotor dado y una mayor
eficiencia, comparadas con las turbinas eólicas convencionales. La capacidad nominal de cada
turbina será de 6.25 MWe y las 32 turbinas darán un total de 200 MWe, que es la capacidad
nominal de la planta. Sin embargo, las predicciones de desempeño de la planta muestran que
durante condiciones cálidas prolongadas, la potencia disponible puede exceder la capacidad
máxima de los generadores por un periodo de alrededor de 3 meses al año. Por lo tanto, para
evitar el desperdicio de la energía más valiosa, ya que los periodos de mayor insolación
coinciden con los periodos de mayor demanda del sistema por el aumento de cargas de aire
acondicionado y similares, se está considerando aumentar la capacidad de los generadores
eléctricos, posiblemente hasta 10 MWe nominales. Los generadores propuestos son máquinas
síncronas de 11 kV con excitación estática o sin escobillas. La excitación estática tiene una
mejor respuesta a las variaciones, aunque no es probable que la respuesta a las variaciones en
el tiempo sea un problema. Aún así, puede existir la necesidad de suministrar una corriente de
falla prolongada debido a los requerimientos de protección de la red, para lo cual se necesitaría
un sistema de excitación sin escobillas por separado.
La Autoridad de Seguridad de Aviación Civil (CASA, por sus siglas en inglés) y el
aeropuerto de Mildura han hecho saber formalmente a EnviroMission que no existen
objeciones para la construcción de la planta, siempre y cuando sea señalizada debidamente
con luces de peligro y advertencia.
Un estudio del uso potencial de la estructura para telecomunicaciones ha identificado el
valor de antenas aéreas de alto nivel instaladas en la cima de la chimenea para radio,
televisión, telefonía móvil, sistemas SCADA y radiocomunicación de servicios de emergencia.
La periferia del colector (más de 600 m) se presta para agricultura protegida de alto
valor, este aspecto se hizo evidente cuando se observó lo bien que la maleza y diversa
vegetación crecía debajo del colector de la planta de Manzanares, a diferencia del suelo
alrededor de la planta, que parecía árido. En esta zona del colector la velocidad del viento es
moderada, al igual que el aumento en la temperatura, pero se cuenta con una protección tipo
invernadero y un cuidado acceso a los cultivos. No se han realizado estudios específicos sobre
acuacultura, por lo que su potencial debe aún ser explorado.
La topografía del sitio, la gran concentración de acuíferos salinos cerca de la superficie
y la posible aplicación en el mejoramiento del sistema de almacenamiento térmico de la planta,
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apoyan un mayor análisis para la reducción de salinidad de acuíferos subterráneos y la posible
producción de sal comercial.
La planta por sí misma requerirá de 3,850 ha solamente, permitiendo que la tierra
restante sea usada como un recinto de desarrollo sostenible, incluyendo una reserva natural.
La tierra se encuentra mayormente despejada y es usada para cultivos de trigo, aunque
alrededor de 1,000 ha requerirán de limpieza.
Mientras que una construcción de 1,000 m de altura puede ser vista desde una
distancia de 80 km en terreno plano, vista desde Mildura o Buronga la chimenea parecerá tener
la misma altura que un árbol en el horizonte.
Se estiman alrededor de 50 empleos directos para la operación inicial de la planta
después de la puesta en marcha, reduciéndose después conforme la planta alcanza una
operación rutinaria. Aún así, más empleos serán creados localmente en empresas como
turismo y agricultura. Se espera que la planta se convierta en un importante ícono local.
La creciente conciencia medioambiental ha contribuido al surgimiento de un mercado
para las energías renovables y limpias, de fuentes como el sol, viento, lluvia y mareas. Si la
fuente de energía no produce emisiones, la energía es verdaderamente limpia. La chimenea
solar producirá energía limpia a gran escala. Se estima que el proyecto permita que 700,000
toneladas de gases de efecto invernadero dejen de ser liberados a la atmósfera cada año.
Mientras que EnviroMission aún posee el estatus de Facilitación de Proyecto Mayor en
Australia (concedido por el Gobierno Federal Australiano), es poco probable que el proyecto se
lleve a cabo en Australia hasta que políticas e incentivos realistas para el desarrollo de
energías renovables sean formulados para este mercado. Por ahora, el proyecto en Australia
se encuentra detenido, en espera de las condiciones favorables.
Las primeras ambiciones de EnviroMission para desarrollar una planta de chimenea
solar en Australia fueron redireccionadas hacia los Estados Unidos para tomar ventaja de las
favorables políticas de energías renovables e incentivos de desarrollo en ese mercado. Una
sola planta de chimenea solar tiene la capacidad de proveer de energía renovable a más de
100,000 hogares típicos norteamericanos o remover el equivalente a 220,000 vehículos de
motor de los caminos de los Estados Unidos.
EnviroMission realizó una oferta para adquirir una participación mayoritaria en los
valores de SolarMission Technologies, lo cual se consumó en diciembre de 2008, para poder
comercializar globalmente la tecnología de chimenea solar incluyendo grandes mercados fuera
de Australia.
En los 2 años transcurridos desde que EnviroMission cambió el proyecto en Australia
por el proyecto en los Estados Unidos, diversos logros han sido alcanzados. En mayo de 2009
se estableció y registró EnviroMission (USA) Inc. y diversos consultores han apoyado las
operaciones de desarrollo en los Estados Unidos. El establecimiento de un cuartel general de
EE.UU. en Phoenix proporcionará la eficiencia financiera y de recursos de las operaciones de
negocios localizados. EnviroMission ha identificado un conjunto de sitios potenciales para el
proyecto, se completaron los estudios preliminares de factibilidad y en junio de 2009 se
registraron dos solicitudes de adquisición para dos sitios en el noroeste de Arizona, cada uno
con un área de 2,225.85 ha, un tamaño adecuado para el desarrollo de una planta de
chimenea solar en cada sitio. EnviroMission respondió con una exitosa presentación a la
solicitud de propuestas hecha por la Autoridad de Energía Pública del Sur de California
(SCPPA), que resultó en un importante acuerdo de compra de energía aprobado por la SCPPA
el 21 de octubre de 2010, que permite que sus miembros asuman el compromiso de comprar
energía eléctrica generada por la primera de dos plantas de chimenea solar de 200 MW
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planeadas para Arizona. La chimenea solar fue seleccionada como la única tecnología solar
que califica para las negociaciones de compra de energía para cumplir con la cartera de
estándares de energía renovable de los miembros de la SCPPA.
EnviroMission solicitó los servicios de Arup, una firma consultora de ingeniería y
construcción, para proveer servicios de ingeniería ejecutivos para desarrollar en Arizona el
concepto de la planta de chimenea solar que estaba proyectada para Australia. Arup es
conocida internacionalmente por una amplia gama de conocimientos y habilidades
multidisciplinarias que proporcionará a EnviroMission las capacidades de más alto nivel y
renombre internacional. Arup desarrolló el diseño estructural de la Casa de la Ópera de Sidney
y, más recientemente, trabajó en la construcción de las instalaciones para los juegos olímpicos
de Beijing en el 2008. Toda la propiedad intelectual que surja del proyecto, incluyendo la
optimización relacionada al sitio, seguirá siendo creada dentro de EnviroMission. Estos
acuerdos con Arup permitirán que EnviroMission mantenga el control total del proyecto.
EnviroMission registró un aviso de intención con el Comité de Emplazamiento para
Líneas de Transmisión y Plantas de Energía de Arizona para una petición para un certificado
de compatibilidad medioambiental.
EnviroMission no ha publicado las dimensiones exactas de las plantas de chimenea
solar para Arizona debido a que la correlación entre la ganancia de radiación solar con la altura
y diseño de la chimenea para un desempeño y comerciabilidad óptimos aún debe ser
confirmada por Arup para los sitios marcados. Se espera que la gran incidencia de radiación
solar en la zona beneficie el desempeño de la planta, por lo que el diseño deberá variar
respecto al proyecto desarrollado para Australia. Aún si se realizan modificaciones en el
diseño, mucho del trabajo e investigación realizados para el proyecto de Australia podrán ser
aplicados directamente al proyecto de Arizona.
Las intenciones de desarrollo de EnviroMission se encuentran en estos momentos fijas
y concentradas en Arizona, aunque el desarrollo en mercados adicionales se tiene en plena
consideración.
China ha mostrado interés en la tecnología de la chimenea solar y la empresa
Shanghai Xiang Jiang Industrial Company Limited ha sostenido pláticas con EnviroMission para
el desarrollo de una planta prototipo en la región para demostrar la factibilidad de la tecnología
y despertar el interés de inversionistas potenciales, con la consecuente construcción de una
planta comercial de gran escala. Los Emiratos Árabes Unidos, África del Norte e India también
se han mostrado interesados en la chimenea solar, lo que hace muy probable que futuros
proyectos sean desarrollados en dichas regiones, sin que a la fecha se cuente con mayor
información al respecto.
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5. CONCLUSIONES
Se concluye que el objetivo de este trabajo, que era el presentar una descripción
exhaustiva de la Chimenea Solar y su aplicación para la generación de energía eléctrica, se
cumplió de manera satisfactoria. Se relataron las diversas ideas que dieron origen al desarrollo
de la Chimenea Solar, poniendo en evidencia que la tecnología es más antigua de lo que se
sugiere. El funcionamiento de la Chimenea Solar, así como los principios termodinámicos en
que se basa, fueron expuestos y explicados. La validez de los diversos cálculos aquí
presentados no fue cuestionada, pues ese no era el objetivo de esta investigación. Se habló
sobre la única planta de Chimenea Solar funcional a gran escala construida hasta la fecha: la
planta prototipo en Manzanares, España. Se expusieron diferentes variantes de la tecnología,
pensadas para hacer más eficiente el desempeño de la planta o facilitar su construcción. Se
discutió sobre las perspectivas que se tienen de la tecnología, los proyectos que se han
desarrollado para la construcción de plantas a gran escala en diversas partes del mundo, bajo
la luz de las nuevas facilidades e incentivos que los gobiernos están otorgando a las energías
alternativas. El presente trabajo es una apropiada fuente de información para el inicio de
futuras investigaciones sobre la tecnología de la Chimenea Solar o sobre temas relacionados.
Se observó que la Chimenea Solar surge como una alternativa al uso de combustibles
fósiles para la generación de energía eléctrica, en un intento por mitigar los efectos del
calentamiento global y la disminución de recursos energéticos disponibles. La chimenea solar
hace uso de 3 tecnologías perfectamente conocidas y las conjuga de una manera simple; el
invernadero, la chimenea y el molino de viento.
Se encontró que fue el ingeniero alemán, profesor Jörg Schlaich, el desarrollador del
concepto de chimenea solar sobre el cual se discutió en este trabajo, pero la idea ya había sido
concebida con anterioridad por el ingeniero español Isidoro Cabanyes a principios del siglo 20 y
a una escala mucho menor, sin que fuera llevada a la práctica. Es hasta finales de los 70’s y
principios de los 80’s cuando el concepto propuesto por Schlaich toma fuerza y se materializa
con la construcción de una planta prototipo en la localidad de Manzanares, España, con el
objetivo de realizar investigación y probar la factibilidad de la tecnología. El proyecto tuvo éxito
y la planta operó satisfactoriamente generando una potencia alrededor de 50 kW, lo que
demostró que el concepto es funcional.
Investigadores, científicos e ingenieros de todo el mundo han mostrado interés en el
concepto de chimenea solar, lo que ha dado pie a que multitud de trabajos sean escritos sobre
él, comenzando con el propio profesor Schlaich y sus colaboradores, aunque muchos datos
técnicos y de funcionamiento aún se encuentran clasificados como secretos comerciales.
El funcionamiento de la chimenea solar ha sido descrito y se encuentra entendido en su
totalidad. Se estableció que la altura de la chimenea y el tamaño del colector son los dos
factores que determinan la eficiencia de la chimenea solar, ya que la radiación solar no puede
ser controlada. Mientras mayor sea la altura de la chimenea, mayor es la eficiencia de la planta
y por lo tanto, mayor es la energía generada, ya que una chimenea de mayor altura
proporciona al sistema un mayor diferencial de presión y temperatura para poder extraer
trabajo. Algo similar ocurre con el colector, el cual debe ser lo más grande posible en extensión
para poder captar la mayor cantidad de radiación solar y poder elevar la temperatura de un
mayor volumen de aire. Para un entendimiento más accesible, se ha comparado a la chimenea
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solar con una planta hidroeléctrica, donde el colector solar es el embalse de agua que contiene
la energía potencial del fluido y la chimenea es la caída en la cual la energía potencial es
convertida en energía cinética
Se observó que otro factor importante en el desempeño de una chimenea solar es el
material con el que esté fabricado el colector. La calidad y las propiedades ópticas de este
material determinan de manera directa la eficiencia del colector, es decir, la eficiencia con la
cual la energía disponible en la radiación solar es transformada en calor sensible en el aire
dentro del colector. Al ser el colector solar un invernadero, funciona bajo los mismos principios.
El material que cubre el colector es transparente a la radiación solar de onda corta y ésta
calienta el suelo debajo de él. El suelo emite radiación infrarroja de onda larga, la cual no
puede atravesar el material y se refleja al suelo, lo que provoca que la energía quede atrapada
dentro del colector. Para maximizar este efecto, el material debe ser lo más transparente
posible a la radiación de onda corta y lo más reflejante posible para la radiación infrarroja.
Materiales como el vidrio poseen estas características de manera natural y si se fabrican de
manera especial para tal objetivo, sus características pueden mejorarse. El uso de vidrio como
material del colector se justifica para la parte más interior de él, donde la re-radiación infrarroja
es mayor debido a la alta temperatura existente. Para la parte externa del colector es posible
utilizar una película plástica de propiedades similares aunque menores. Las pérdidas por
convección entre la superficie del colector y el aire medioambiental también deben tomarse en
cuenta y minimizarse, esto se puede lograr colocando una segunda capa de vidrio en el
colector, como en una ventana doble. Una vez más, el costo de material extra se justifica sólo
para la parte interna del colector.
Se halló que la turbina eólica que se usará en una chimenea solar es diferente de las
turbinas que se encuentran en los parques eólicos al aire libre. En un parque eólico, las
turbinas funcionan con velocidades altas de aire y bajos diferenciales de presión, mientras que
en una chimenea solar las velocidades de aire alcanzadas son bajas y el diferencial de presión
es grande. Por lo tanto, la turbina de una chimenea solar debe trabajar con presión y no con
velocidad, siendo el funcionamiento similar a, otra vez, una planta hidroeléctrica.
Se descubrió que la generación de potencia en la chimenea solar a lo largo del día
sigue una curva que crece desde un valor mínimo, cerca de las horas frías de la mañana, llega
a un valor máximo alrededor del medio día y después disminuye a otro valor mínimo al
atardecer. Una de las ventajas de la chimenea solar es que parte de la radiación solar se
almacena en el suelo del colector y se libera durante la noche, haciendo que la generación de
electricidad sea continua, incluso de noche. Este efecto se puede maximizar si en el suelo del
colector se instala algún sistema que absorba radiación solar y almacene calor para después
liberarlo durante la noche, como tuberías o contenedores llenos de agua. Esto tendería a
aplanar la curva de salida de potencia de la planta, haciendo que la cantidad de energía
generada se mantenga relativamente constante a lo largo del día. De ésta forma, la salida de
potencia de la planta puede ser manipulada para satisfacer los requerimientos energéticos del
sitio, ya sea que se necesite una generación constante de energía o una alta generación de
energía al medio día, que convenientemente coincide con un periodo de alta demanda
provocada por los sistemas de refrigeración y aire acondicionado.
De especial atención resultó ser otra de las ventajas de la Chimenea Solar; la cual es
que, a diferencia de la mayoría de las tecnologías térmicas convencionales, ésta no utiliza agua
para su proceso. Esta característica hace de la chimenea solar una opción muy atractiva no
sólo para los lugares donde el agua no está disponible, pero también para lugares donde exista
disponibilidad de agua, ya que con las condiciones climáticas y de contaminación actuales,
ahora es imperativo ahorrar agua y disminuir su uso para procesos industriales.
Convenientemente, los lugares donde el agua escasea poseen muy buenos índices de
radiación solar, como son los desiertos y estepas.
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Por otra parte, la gran desventaja de la chimenea solar es que para poder generar
cantidades significativas de energía, la planta debe tener dimensiones considerablemente
grandes. Así, el profesor Schlaich propone que para una planta de 200 MW, la altura de la
chimenea debe ser de 1,000 a 1,500 m y el diámetro del colector debe ser de 4,000 a 7,000 m,
dependiendo de la radiación solar disponible en el sitio. Se encontró que para una determinada
salida de potencia, no existe solamente una configuración óptima de la planta, sino que una
misma potencia puede ser alcanzada con diferentes medidas de chimenea y colector. Así, una
chimenea alta con un colector pequeño generará la misma potencia que una chimenea baja
con un colector grande. La configuración óptima estará determinada por los recursos
disponibles en el sitio e infraestructura de construcción.
Para salvar el obstáculo que representa las grandes dimensiones de una chimenea
solar, diversos investigadores han realizado propuestas alternativas y de modificación en el
diseño del concepto. Se ha propuesto reemplazar la chimenea, que debería ser construida con
concreto reforzado, por una estructura de tela llena de gas ligero que, como un globo
aerostático, flotará sobre el colector. Esta opción reduciría considerablemente el costo de
inversión inicial, pero presenta la dificultad de construir una estructura de tela de 1 km de largo,
algo que no se ha hecho. Se ha propuesto también modificar la geometría de la chimenea para
aumentar la velocidad del aire, ya sea colocando una contracción antes de entrar a la turbina o
construyendo la chimenea de forma divergente, con la parte alta de mayor diámetro que la
parte baja. Se ha propuesto también construir el colector en la ladera de una montaña, de
manera inclinada, lo que permitiría reducir el tamaño de la chimenea pero complica la
construcción del colector por estar ubicado en una montaña. También se ha propuesto que,
alternativamente al flujo de aire puramente vertical, la corriente de aire sea dirigida de tal forma
que forme una corriente ascendente en espiral, como en un tornado, lo que permitiría disminuir
la altura de la chimenea e incluso extraer más energía. En lugar de construir una sola planta de
chimenea solar de dimensiones descomunales, se ha propuesto el uso de pequeñas plantas
para suministrar energía a comunidades rurales pequeñas y alejadas de la red eléctrica, como
es el caso de múltiples comunidades dispersas por el territorio africano. Ninguna de estas
propuestas ha sido probada.
Se encontró que la compañía australiana EnviroMission adquirió la licencia de la
chimenea solar y comenzó a estudiar la posibilidad de construir una planta en Australia. El
proyecto avanzó al grado de que la empresa adquirió un terreno para construir la primer planta
de chimenea solar comercial en el mundo. La planta proyectada tendría una capacidad de 200
MW, una altura de 1,000 m y un colector con un diámetro de 7,000 m y estaría ubicada en el
pueblo de Buronga, en el estado de Nueva Gales del Sur, muy cerca de la ciudad de Mildura,
en el estado de Victoria. Por ser un proyecto de generación de energía limpia, el gobierno de
Australia brindaría su apoyo al desarrollo con fondos federales, sin embargo, las políticas e
incentivos disponibles no fueron suficientes y el proyecto se estancó. EnviroMission buscó
entonces un mercado alternativo para la chimenea solar y lo encontró en los Estados Unidos,
donde las políticas e incentivos para las energías limpias y los recursos disponibles son
bastante favorables para el proyecto.
EnviroMission tiene planes para construir 2 plantas de chimenea solar de 200 MW cada
una en Arizona. La compañía se encuentra realizando los trámites para la adquisición de dos
sitios en Arizona y ya se firmó un acuerdo que permite que EnviroMission venda energía limpia
generada en sus plantas. Las dimensiones de las plantas de Arizona no han sido publicadas
pues, aunque mucho del trabajo desarrollado para Australia podrá ser aplicado directamente al
proyecto, las condiciones imperantes en Arizona son diferentes que las tomadas en cuenta
para el proyecto anterior.
Otros mercados han mostrado interés en la chimenea solar, principalmente China, que
se encuentra en pláticas con EnviroMission para la posible construcción de una planta piloto.
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Los Emiratos Árabes Unidos, África del Norte e India también han mostrado interés en el
concepto y es probable que en un futuro cercano se desarrollen proyectos para dichos países.
La favorable recepción que ha tenido el concepto de chimenea solar en países con
economías desarrolladas como los Estados Unidos y los demás países mencionados,
demuestra que aunque se requiere de una elevada inversión inicial para la construcción de una
planta comercial, los crecientes incentivos a las energías limpias y renovables hacen de la
chimenea solar una opción cada vez más viable y económicamente rentable para la producción
de energía eléctrica, ya que no requiere de combustible de ningún tipo y tampoco necesita de
agua para llevar a cabo proceso alguno.
Resaltó el hecho de que existe un gran campo de investigación alrededor de la
chimenea solar, principalmente con el objetivo de aumentar su eficiencia y poder reducir sus
dimensiones, que en muchos casos la convertían en una tecnología prohibitiva. Se necesita de
investigación para desarrollar nuevos materiales para el colector solar, que permitan captar una
mayor cantidad de radiación solar y convertirla en calor sensible en el aire dentro de él. Para la
chimenea se necesita investigación que permita reducir sus dimensiones. Para la turbina se
necesitan nuevos diseños y perfiles de las palas que le permitan trabajar eficientemente bajo
condiciones de baja velocidad del viento y alta caída de presión.
Con los datos obtenidos y presentados en el presente trabajo, se puede concluir que la
tecnología de chimenea solar es técnicamente factible. Sus principios de funcionamiento son
conocidos y comprendidos a fondo. Existen inconvenientes para la construcción de plantas de
escala comercial, principalmente la elevada inversión inicial, pero bajo los actuales marcos de
fomento a las energías alternativas es posible, para economías desarrolladas, construir plantas
de escala comercial económicamente viables, que en tiempos anteriores y bajo condiciones
diferentes, como en el caso de Australia, no habrían sido posibles. Es probable que en un
futuro cercano y con la creciente demanda por energías alternativas, la chimenea solar se
desarrolle alrededor del mundo y se convierta en una popular manera de generar energía
eléctrica. Una idea que fue ignorada al principio, puede convertirse en una de las opciones
principales para generar energía limpia sin afectar al medio ambiente.
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