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¿Quién no ha disfrutado de calor del sol? Si lo hace, representa una transferencia a través de la radiación directa energética, desde la superficie caliente del sol para su piel. Un metro cuadrado puede recoger aproximadamente 1000 W, que es comparable a la salida de un calentador portátil. Una superficie oscura puede capturar la energía en casi un 100% de eficiencia, superando (calefacción?) A los pantalones de energía solar fotovoltaica (PV) la eficiencia de captura, por ejemplo. Ya hemos visto que la energía solar fotovoltaica califica como un recurso superabundante, que requieren paneles que cubren sólo un 0,5% de la tierra para satisfacer toda nuestra demanda de energía (siendo enorme, otorgado). energía térmica de manera directa del sol, se reunieron de manera más eficiente que lo que puede hacer PV, es de forma automática en el club abundante. Evaluemos algunos de los problemas prácticos relacionados con la energía solar térmica: ya sea para la calefacción del hogar o para la producción de electricidad.
En las clases de física, a menudo me sorprendo a mí mismo repitiendo el mantra de que el calor es un estado desordenado, inútil de energía que es genéricamente el punto final de un proceso de flujo de energía. Por ejemplo, la energía asignada a la rueda de giro rápido de una bicicleta al revés drenará lentamente que la rueda se mueve el aire, hace que el sonido, y sufre la fricción en el cojinete. Cada uno de estos caminos de energía se traduce en calor, hasta que se disipó el 100% de la energía invertida y la habitación es un poco más caliente como resultado. Nunca vamos a volver a montar la energía que se pierde en forma útil, una vez que la entropía ha reclamado. Todo esto es cierto, pero me siento muy incómoda pronunciando las palabras que el calor es el cementerio del flujo de energía, y debe colocar un asterisco en el comunicado.
El asterisco es que la inmensa mayoría de nuestro consumo de energía de la sociedad hace uso de calor, más del 90% en los EE.UU.! Para que el calor no merece la mala reputación como un producto de desecho sin valor. Por el contrario, el calor funciona nuestro mundo! A veces sólo queremos que el calor directamente, a través de: gas natural para hornos, agua caliente y cocina; el combustible de calefacción para el hogar; y el gas y el carbón de calor para procesos industriales. Esto representa el 20% de nuestra demanda total de energía, dejando a cerca de dos tercios de nuestro consumo total de energía en forma de calor que alimenta calientan motores para la producción de electricidad, el transporte y la maquinaria. En resumen, toda la energía que obtenemos de los combustibles fósiles, la energía nuclear, y la biomasa deriva de calor. Eso no es inútil!
También podemos convertir la relación σT4 en su cabeza y decir que un parche de pleno sol (en el suelo) que recibe 1.000 W / m² corresponde a una temperatura de 364 K radiante, o una formación de ampollas 91 ° C. Esto significa que un panel negro a pleno sol podría conseguir este caliente si estaban disponibles para el enfriamiento del panel hay caminos distintos a la radiación. entonces diríamos que el panel se encuentra en equilibrio radiativo con el Sol Pero el aire puede llevar lejos de calor por convección. La auto-convección de un plato caliente, plana será de unos 10 W / m² según el grado de diferencia entre el panel y el aire circundante. Que requiere la suma de las pérdidas por radiación y convección a sumar a la potencia de entrada de 1.000 W / m² produce una solución de aproximadamente 55 ° C (328 K; 131 ° F) si el aire circundante está a 20 ° C. Esto supone que la placa no tiene caminos de calor disponibles a través de la parte trasera (aislamiento). Si, por otro lado, es un panel delgado que permite la convección en ambos lados, va a ser más fresco, aunque "el calor sube" el fenómeno suprimir el flujo de calor en la parte posteriorlado con respecto a la parte delantera, si la placa es de hecho nivel. Sólo por diversión, si conseguimos un adicional de 5 W / m² / K de la pérdida por convección en la parte trasera, la temperatura de equilibrio se reduce a 47 ° C (117 ° F). Todo parece razonable.
La forma más sencilla para reemplazar la energía de combustibles fósiles con energía solar se llama una ventana. Una pieza única sin recubrimiento de vidrio transmitirá el 92% de la luz visible (el resto se refleja) cuando la luz viene directamente de (hasta el 75% con una incidencia rasante 20 °, 60% a 10 ° pastoreo). El vidrio es opaco a la luz ultravioleta y la luz a medio y lejano infrarrojo (IR), pero permite que más del 95% del pase del espectro solar incidente no reflejada.
Teniendo en cuenta que las ventanas de las casas / edificios tienden a ser vertical, podemos evaluar el aporte de energía a través de ventanas, teniendo pérdidas de transmisión, pérdida de reflexión, y el escorzo angular en vigor. Debido a que el sol está más alto en el cielo en el verano, la ventana aparece en escorzo a la luz directa del sol, y también refleja más. Por lo que una ventana orientada al sur-admite automáticamente más calor en el invierno que en el verano, sin ajuste. Poner un saliente sobre la ventana, idealmente con un poco de espacio vertical entre la ventana y voladizo-puede eliminar la contribución de mediodía verano por completo. La siguiente figura muestra la fracción de energía incidente del sol directa (creo que 1000 W / m²) admitido por la ventana. líneas de referencia verticales indican la elevación de mediodía del sol a una latitud de 40 ° para los solsticios de invierno y verano. El sol del mediodía será en algún lugar entre estos valores durante todo el año. Ajuste a otras latitudes implica un simple cambio de las líneas de puntos por la latituddiferencia.
Así que no es un tramo de admitir la energía en exceso de 500 W / m² en su casa en el sol de invierno. Puede apilar hasta el equivalente de una docena de calentadores de ambiente con bastante rapidez.
Suena muy bien, pero los inviernos no son siempre las más soleadas de veces. Sin embargo, no es tan malo como se podría temer. Cada fotón de luz visible que lo hace a través de su ventana, incluso si viene de una apagada de nubes grises depósitos de la misma cantidad de calor sin importar lo complicado de su trayectoria desde el Sol De hecho, una campaña de medición en mi casa se ha puesto de manifiesto que el ático consigue sorprendentemente más caliente (10 ° C o 18 ° F) que el aire ambiente incluso en un día de nubes pesadas cuando mi sistema de energía solar fotovoltaica sólo se captó una cuarta parte de la habitual cantidad de luz. Así podemos utilizar el colector de placa plana (en este caso, una ventana) orientada al sur con una inclinación de 90 ° para representar la cantidad de energía que una ventana se agarraba. La siguiente tabla indica el número equivalente de horas de pleno sol por día durante los meses de calefacción para Seattle, WA (en el extremo pobre), St. Louis MO (un promedio de la ciudad solar representante de EE.UU.) y San Diego (mi casa).
La tabla también incluye el número de horas equivalentes de pleno sol por día un sistema de concentración de 2 ejes se recuperaría, lo cual es un buen indicador de la media diaria de horas de sol directo. La ventana se puede conseguir a menudo más energía que está presente en pleno sol, debido a la ganancia difusa, que es el caso de seis de los siete meses para Seattle en la tabla anterior.
Si una casa tiene cuatro grandes ventanales hacia el sur, cada 2 m de ancho y 3 m de altura, un día típico de Seattle en diciembre de depositaría 900 W / m² (en el gráfico anterior, bajo el sol de elevación) tiempos de 24 m², o alrededor de 22 kW de potencia durante aproximadamente 1,3 horas. Esto equivale a 28 kWh de energía (correspondientes a aproximadamente 1 de energía de gas natural).
Para hacer esta cantidad de trabajo de calor, la casa debe ser extraordinariamente bien aislado, utilizar ventanas de lujo, y ser sin corrientes de aire que utilizan a. Pero tales hazañas se pueden lograr en el diseño de la casa pasiva, incluso en climas que parecerían ser completamente hostil a la idea de la calefacción solar pasiva.
A menudo también es ventajoso tener un valor de almacenamiento térmico en el hogar de varios días a promediar los días soleados y nublados. Una pared de piedra o ladrillo oscuro, masiva puede hacer el trabajo de forma preferente frente a las enormes ventanas orientadas al sur para absorber directamente hasta la entrada solar. En una capacidad específica de calor de 1.000 J / kg / K y una densidad de 3000 kg / m³, una pared de roca de 0,5 m de espesor y combinando con nuestros 24 m² ventana huella verá un aumento de temperatura de 2 ° C por cada hora de poring la luz del sol en la misma. Un buen día soleado bombeo de cinco horas de energía solar en la masa aumentaría su temperatura de 10 ° C, por lo que el aire perezoso quitar de calor a 2 W / m² / K sería inicialmente bombear 2.400 W de potencia después de puesto el sol (suponiendo la parte posterior de la pared está aislado), y proporcionar unos 2 días de calor sin entrada adicional.
Por supuesto, una serie de retos de ingeniería térmica rodean el diseño solar pasivo inteligente, y que debe separarse antes de que el mensaje se estanca (demasiado tarde, dice usted?). Tal vez voy a volver al tema más adelante. Por ahora, es importante comprender que la cantidad de radiación solar incidente sobre una casa puede ser suficiente para proporcionar calefacción, incluso en climas desfavorables. Debo añadir una advertencia: que la calefacción pasiva puede ser suficiente el 90% del tiempo, que requiere calor de apoyo o preferencia-flexibilidad para hacer frente a una casa más frío el otro 10% del tiempo.
Los canales parabólicos son bastante limpio, creo que, por una variedad de razones. En primer lugar, la forma parabólica logra centrarse independiente del ángulo de inclinación de la luz en la dirección a lo largo del eje: perfección matemática no importa el ángulo. Esto lleva a la segunda seria ventaja ya se ha discutido de un solo eje de seguimiento a lo largo de un eje norte-sur. La capacidad de transportar el calor a lo largo del eje utilizando un fluido / pipa es única para este diseño, por lo que es conveniente que arrastrar el calor por donde lo desee. Por último, debido a que el material brillante sólo tiene que ser doblado en una dirección (mucho más fácil que un recipiente de forma), los reflectores son relativamente baratos de fabricar.
La evaluación de un ejemplo dado cuenta, la planta tiene una capacidad nominal de 64 MW, generando 134 millones de kilovatios-hora de energía por año. La división de estos dos implica alrededor de 2.100 horas de funcionamiento a plena potencia por año, para un ciclo de trabajo del 24%, o 5,7 horas por día. La base de datos NREL para Las Vegas espera un solo eje norte-sur de seguimiento para obtener un promedio de 6,2 horas por día horizonte a horizonte. Así que no está demasiado lejos. La planta costó $ 266 millones en la construcción, que asciende a $ 4,15 por vatio. Bastante similar a la energía solar fotovoltaica instalada. La planta ocupa aproximadamente 1,6 km ² de la tierra, la computación de 40 W / m² a plena potencia nominal. Se trata de un 4% del incidente de 1000 W / m² (en la temporada de verano), que está bastante cerca de lo que podríamos adivinar para un colector eficiente de ocupación del 15% al 25% de la superficie terrestre. Me encanta cuando los números tienen sentido!
Una ventaja seria a la energía solar térmica, aún no explotado tan plenamente como podría ser, es el almacenamiento térmico. Hacer heno cuando brilla el sol, y la ardilla a la basura para su uso durante la noche. Todas las plantas de energía solar térmica tienen inmunidad a corto plazo de la intermitencia debe simplemente a la masa térmica en el sistema. plantas de energía solar térmica están diseñados con diferentes grados de almacenamiento, muchos sólo con el objetivo durante varias horas para seguir mejor la curva de demanda pico de la noche. Pero a medida que las energías renovables ganancia de dominio sobre los combustibles fósiles (como espero que lo hacen), el almacenamiento será cada vez más importante. En mi opinión, la relación de almacenamiento para la colección es bastante sencillo para cambiar (es decir, más grande cuba de fluido caliente), por lo que, en principio, las plantas de energía solar térmica podría lograr días de almacenamiento con poca complejidad añadida. No podemos decir lo mismo de PV o el viento. Y la eficiencia de almacenamiento para un recipiente grande crece linealmente con la dimensión del tanque, ya que la energía contenida escalas como volumen, mientras que las rutas de pérdida térmica tienden a escala con el área.
Nos fijamos en tres categorías de uso de calor del sol: calefacción de la casa pasiva, agua caliente, electricidad y energía solar térmica. Prácticamente cualquier cosa que implica el uso directo de la energía solar en contraposición a hidroeléctricas, viento, olas, etc., como los derivados secundarios y terciarios de energía solar entrada está destinada a terminar en el lado abundante de la historia. Y lo mismo ocurre con estos tres, aunque tal vez teniendo en cuenta que los dos primeros se limitan a la zona exigua representada por los tejados y / o ventanas-en lugar de la totalidad de la tierra área que debe ser bastante más escondido en la caja "potente".
electricidad solar térmica se une definitivamente el campo como un recurso abundante. Algunos de los otros recursos abundantes descritos hasta la fecha (criadores nucleares, el agotamiento de la energía geotérmica, y más por venir) presentan dificultades técnicas u otras barreras prácticas que disminuyen mi emoción para ellos. No voy a afirmar que la electricidad solar térmica tiene ninguna dificultad (reflectores quedan polvorienta / erosionada por las arenas del desierto, por ejemplo). Pero es bastante baja tecnología, utiliza más de un siglo de experiencia en el funcionamiento de los motores térmicos, permite el almacenamiento para ser una parte integral del diseño, y es súper abundante en la escala de las cosas. De todos modos, hemos encontrado otra forma viable para producir electricidad, haciendo muy poco para abordar directamente la escasez de combustibles líquidos.
La naturaleza de baja tecnología de energía solar térmica hace que sea especialmente robusta en tiempos difíciles. Puedo imaginar el diseño y la construcción de un hogar solar pasivo, de placa plana colectores térmicos para agua caliente, e incluso un cilindro parabólico para crear vapor personalmente. No puedo decir lo mismo de un panel fotovoltaico, un reactor nuclear, o de pozos geotérmicos kilómetros de profundidad. Se lleva mi voto.
Veremos la fusión nuclear la próxima semana. ¿Suena familiar?
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