MIT Investigación: Llega la luz. un nuevo patrón inspirado en un girasol aumenta la eficiencia solar concentrada.

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En las afueras de Sevilla, en la región desértica de Andalucía, España, se encuentra un oasis a la vista: un pilar de 100 metros de altura, rodeado por hileras de espejos gigantes ondulando hacia afuera. Más de 600 de estos espejos, cada uno del tamaño de media cancha de tenis, siguen al sol durante todo el día, concentrando sus rayos en la torre central, donde se convierte el calor del sol en electricidad - suficiente para dar electricidad a 6.000 hogares.

El sitio en expansión, llamada PS10, es parte de un puñado de plantas de energía solar concentrada (CSP) en el mundo, aunque ese número se espera que crezca. Los propensos a la tecnología CSP dicen que potencialmente podría  generar suficiente energía limpia y renovable para dar energía a todo Estados Unidos; hay dos factores en una amplia oferta: la tierra y la luz solar.

Ahora, unos investigadores del MIT, en colaboración con la Universidad RWTH Aachen en Alemania, han encontrado un diseño que reduce la cantidad de tierra necesaria para construir una planta CSP, al mismo tiempo que aumenta la cantidad de luz recogida en los espejos. Los investigadores encontraron que al reestructurar los espejos, o helióstatos, en un patrón similar al de las espirales de la cara de un girasol, podrían reducir el patrón del tamaño en un 20% y aumenta su potencial de generación de energía. El patrón inspirado en un girasol de inspiración permite un diseño más compacto, y minimiza el sombreado de helióstatos y el bloqueo de espejos vecinos. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Energy Solar, y recientemente se acogió a la protección de patentes.

Bloqueando una sombra
En la planta PS10 y otras CSP en el mundo, los espejos se disponen alrededor de la torre central en círculos concéntricos. La distancia entre los espejos es similar a los asientos de una sala de cine, de forma escalonada para que todas las otras filas queden alineadas. Sin embargo, este patrón resulta en un ensombrecimiento y bloqueo de los espejos, más alto de lo necesario durante todo el día, lo que reduce la reflexión de la luz de los espejos en la torre.

El laboratorio del profesor Alexander Mitsos ha desarrollado un modelo computacional para evaluar la eficiencia de los diseños de helióstatos. El modelo divide cada espejo en secciones discretas y calcula la cantidad de luz que cada sección refleja en un momento dado. Los investigadores entonces probaron el modelo en una planta CSP a escala comercial.Los profesores Corey Noone y Alexander Mitsos probaron las dimensiones de los espejos de la planta PS10 a través del modelo, determinando la eficiencia general de la planta. El grupo encontró que la planta CSP experimenta una importante cantidad de sombreado y bloqueo todos los días a pesar de la disposición escalonada de sus espejos.

Espirando hacia fuera

Para aumentar la eficacia teórica de la planta, Noone y Mitsos jugaron con el patrón de helióstatos, usando la optimización numérica para primeramente estrechar la disposición en abanico. Este diseño más estrecho, el modelo de cálculo, reduce la cantidad de superficie que los espejos necesitan un 10% sin afectar la eficiencia de los espejos, en el reflejo de la luz. El patrón resultante tenía algunos elementos en espiral similares a los diseños disponibles en la naturaleza.

Así que el equipo del MIT, en colaboración con Torrilhon, miraron a la naturaleza en busca de inspiración - en concreto, hacia el girasol. Las flores de un girasol están dispuestos en un patrón en espiral, conocida como espiral de Fermat, que aparece en muchos objetos naturales y ha fascinado a los matemáticos: Los antiguos griegos, incluso aplicaron estos patrones a edificios y otras estructuras arquitectónicas. Los matemáticos han encontrado que cada florecilla de girasol se convierte en un "ángulo de oro" - cerca de 137 grados - con respecto a sus flores vecinas.

Los investigadores idearon un campo en espiral con sus helióstatos reorganizados para parecerse a un girasol, con cada espejo en ángulo de 137 grados en relación con su vecino. El diseño optimizado numéricamente ocupa un 20% menos de espacio menos que el diseño de la PS10. Es más, por la espiral y el sombreado y bloqueo reducido tiene una mayor eficiencia total en comparación con la configuración radial escalonada de la PS10.

Mitsos dice que reorganizando una planta CSP con la forma de espiral podría reducir la cantidad de tierra y el número de heliostatos requeridos para generar la cantidad equivalente de energía, lo cual podría resultar en ahorros significativos. "La energía solar térmica concentrada necesita grandes áreas", dice Mitsos. "Si estamos hablando de ir al 100% o incluso el 10% de las energías renovables, vamos a necesitar grandes áreas, así que mejor hacemos un uso eficiente."
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Escrito por Jennifer Chu, Oficina de noticias del MIT. Traducido por la revista CONVERtronic.