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Justo en las afueras de Sevilla, en la región desértica de Andalucía, España, se siente una visión que parece un oasis: un pilar de 100 metros de alto rodeado por filas de espejos gigantes formando ondulaciones. Más de 600 de estos espejos, cada uno del tamaño de la mitad de una cancha de tenis, siguen al sol a través del día, concentrando sus rayos en la torre central, donde el calor del sol es convertido en electricidad – la suficiente para darle energía a 6,000 hogares.

El amplio lugar, llamado PS10, está entre un pequeño número de plantas de poder solar concentrado (PSC) en el mundo, aunque se espera que el número crezca. Los proponentes del PSC dicen que la tecnología podría generar la suficiente energía limpia y renovable para darle energía a los Estados Unidos enteros, si se cuenta con dos factores: tierra y luz solar.

Ahora investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology- Instituto de Tecnología de Massachusetts), en colaboración con la Universidad RWTH Aachen en Alemania, han creado un diseño que reduce la cantidad de tierra requerida para construir una planta PSC, mientras incrementan la cantidad de luz solar que sus espejos recolectan. Los investigadores encontraron que al reorganizar los espejos, o heliostatos, en un patrón similar a las espirales en la cara de un girasol, podrían reducir la “huella” de los patrones en un 20 por ciento e incrementar su generación de energía potencial. El patrón inspirado en los girasoles permite un acomodo más compacto, y minimiza las sombras en los heliostatos y el bloqueo por espejos cercanos. Los investigadores publicaron sus resultados en el diario “Solar Energy” y recientemente aplicaron por una patente para protección.

Bloqueando una sombra

En PS10 y otras plantas PSC en el mundo, los espejos están acomodados alrededor de una torre central en círculos concéntricos. El espaciado entre espejos es similar a los asientos en un cine, acomodados para que cada dos filas estén alineados. Sin embargo, este patrón resulta en un sombreado más grande del necesario y en bloqueo a través del día, reduciendo el reflejo de la luz desde los espejos hasta la torre.

El equipo del MIT buscó como optimizar los patrones para incrementar la eficiencia total de una planta. Alexander Mitsos, el profesor asistente de Ingeniería Mecánica de Rockwell International, y Corey Noone SM colaboraron con Manuel Torrilhon de RWTH Aachen, donde Mitsos fue un investigador antes de unirse al MIT.

El laboratorio de Mitsos desarrolló un modelo computacional para evaluar la eficiencia de los diseños de heliostat. El modelo divide cada espejo en secciones discretas y calcula la cantidad de luz que cada sección refleja en todo momento dado. Los investigadores probaron entonces el modelo en una planta PSC de escala comercial existente. Noone y Mitsos corrieron las dimensiones de los espejos de la planta PS10 a través del modelo, determinando la eficiencia total de la planta. El grupo encontró que la planta PSC experimenta una cantidad significativa de sombreado y bloqueo cada día a pesar de el acomodo esparcido de sus espejos.

Acomodando en espiral

Para incrementar la eficiencia teórica de la planta, Noone y Mitsos movieron los patrones de los heliostatos, usando optimización numérica para primero acercar más el acomodo. Este acomodo más angosto, según calculó el modelo, redujo la cantidad de tierra que los espejos ocupaban alrededor de 10 por ciento sin afectar la eficiencia de los espejos al reflejar la luz. El patrón resultante tenía algunos elementos en espiral similar a los acomodos en la naturaleza.

Entonces, el equipo del MIT, trabajando con Torrilhon, buscó inspiración en la naturaleza – específicamente, en el girasol. Las florecillas de un girasol están acomodadas en un patrón espiral, conocido como Espiral de Fermat, que aparece en muchos objetos naturales y ha fascinado por mucho tiempo a los matemáticos: Los antiguos Griegos incluso aplicaron los patrones a edificios y otras estructuras arquitectónicas. Los matemáticos encontraron que cada girasol está girado en un “ángulo dorado” – alrededor de 137 grados – con respecto a su florecilla vecina.

Los investigadores diseñaron un campo en espiral con sus heliostatos reacomodados para parecer un girasol, con cada espejo con un ángulo de alrededor de 137 grados relativo a su vecino. El acomodo optimizado numéricamente toma 20 por ciento menos espacio que el acomodo del PS10. Además, el patrón en espiral reduce el sombreado y el bloqueo e incrementó la eficiencia total comparada con el acomodo disperso radialmente del PS10.

Mitsos dijo que acomodando una planta PSC en este patrón en espiral podría reducir la cantidad de tierra y el número de heliostatos necesitados para generar una cantidad equivalente de energía, lo que podría resultar en ahorros significativos. “La energía termal solar concentrada necesita areas enormes“, dijo Mitsos. “Si estamos hablando de llegar a un 100 por ciento o hasta un 10 por ciento de energía renovable, necesitaremos áreas enormes, así que es mejor usarlas eficientemente“.

Frank Burkholder, un ingeniero con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, dijo que para los caros campos de heliostatos, el modelo de Mitsos tiene el potencial de generar la misma cantidad anual de energía tomando “mucha menos” área terrestre.

“El campo de heliostatos contribuye actualmente con alrededor de un tercio del costo directo de la mayoría de las plantas PSC“, dijo Burkholder, quien no estuvo involucrado en el estudio. “Por que los heliostatos son costosos, su espaciado relativo entre ellos y la torre es importante. Si no se tiene cuidado con su acomodo, puede sombrearse y bloquearse entre ellos y reducir la cantidad de energía provista significativamente“.

Fuente:
http://web.mit.edu/ (en inglés)