Torre de tiro ascendente solar

La torre solar de tiro ascendente ( SUT ) es un concepto de diseño para una central eléctrica de energía renovable que genera electricidad a partir del calor solar de baja temperatura. La luz solar calienta el aire bajo una amplia estructura colectora con techo tipo invernadero que rodea la base central de una torre de chimenea muy alta . ^{[ 1 ]} La convección resultante provoca una corriente ascendente de aire caliente en la torre por el efecto chimenea . Este flujo de aire impulsa turbinas eólicas , ubicadas en la corriente ascendente de la chimenea o alrededor de su base, para producir electricidad . ^{[ 1 ]}

A mediados de 2018, si bien se habían construido varios prototipos, aún no había unidades prácticas a gran escala en funcionamiento. Se prevé la construcción de versiones ampliadas de los modelos de demostración para generar una potencia significativa. Estas versiones también podrían permitir el desarrollo de otras aplicaciones, como la agricultura o la horticultura, la extracción o destilación de agua, o la remediación de la contaminación atmosférica urbana .

La inversión comercial puede haberse visto desalentada por el alto costo inicial de construir una estructura novedosa de gran tamaño, la gran superficie de terreno necesaria y el riesgo de la inversión. ^{[ 2 ]} Se han construido algunos prototipos ^{[ 3 ]} en España en 1981, en Irán en 2011 y en China en 2010 (véase más abajo), y se propusieron proyectos para partes de África, Estados Unidos y Australia.

En 2014, National Geographic publicó una actualización popular, que incluía una entrevista con un defensor informado de la ingeniería. Una central eléctrica de torre de tiro ascendente solar puede generar electricidad a partir del gradiente de calor atmosférico de baja temperatura entre el nivel del suelo o la superficie y la altitud estructuralmente alcanzable. La viabilidad funcional o mecánica es ahora un problema menor que la capitalización. ^{[ 2 ]} Se encuentra disponible una revisión exhaustiva de los aspectos teóricos y experimentales del desarrollo de la central eléctrica de torre de tiro ascendente solar (SUTPP), que recomienda el desarrollo comercial. ^{[ 4 ]} En 2020, Dogan Eyrener presentó una revisión del progreso en la demostración y los datos modelados, que se incluyó en la publicación de las actas. ^{[ 5 ]} En 2022 se publicó una revisión de las tecnologías combinadas para abordar la intermitencia de la producción de energía, de la torre de tiro ascendente solar híbrida con tecnologías complementarias. ^{[ 6 ]} Las tecnologías combinadas, múltiples o híbridas incluyen torres de tiro ascendente-descendente combinadas, ^{[ 7 ]} y transferencia de calor residual de turbina de gas de tiro ascendente solar . ^{[ 8 ]}

La potencia de salida depende principalmente de dos factores: el área del colector y la altura de la chimenea. Un área mayor recoge y calienta un mayor volumen de aire que asciende por la chimenea; se han estudiado áreas de colectores de hasta 7 kilómetros (4,3 millas) de diámetro. Una mayor altura de la chimenea aumenta la diferencia de presión debido al efecto chimenea ; se han estudiado chimeneas de hasta 1000 metros (3281 pies) de altura . ^{[ 9 ]}  

El calor se almacena dentro del área del colector, lo que permite que los SUT funcionen las 24 horas del día. El suelo bajo el colector solar, el agua en bolsas o tubos, o un sumidero térmico de agua salada en el colector podrían aumentar la capacidad térmica y la inercia del mismo. La humedad de la corriente ascendente y la liberación del calor latente de condensación en la chimenea podrían incrementar el flujo de energía del sistema. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Las turbinas de eje horizontal pueden instalarse en forma de anillo alrededor de la base de la torre, como se planeó en su momento para un proyecto australiano y como se muestra en el diagrama anterior; o bien, como en el prototipo de España, puede instalarse una única turbina de eje vertical dentro de la chimenea.

Se produce una cantidad casi insignificante de dióxido de carbono como parte de las operaciones, mientras que la fabricación de materiales de construcción puede generar emisiones. ^{[ 12 ]} Se estima que el retorno neto de la energía es de 2 a 3 años. ^{[ 11 ]}

En 2019, la eficiencia de los SUT, que depende principalmente de la altura de la chimenea, era inferior al 2 %. ^{[ 13 ]} Dado que los colectores solares ocupan grandes extensiones de terreno, es más probable que se instalen en desiertos y otros lugares de bajo valor. Las mejoras en la eficiencia de captación de calor solar mediante el uso de colectores transpirados sin acristalamiento pueden reducir significativamente el terreno necesario para el conjunto solar.

Una torre solar de tiro ascendente a pequeña escala puede ser una opción atractiva para regiones remotas en países en desarrollo. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El enfoque relativamente sencillo podría permitir el uso de recursos y mano de obra locales para la construcción y el mantenimiento.

La ubicación de una torre en latitudes altas podría producir hasta el 85 por ciento de la producción de una planta similar ubicada más cerca del ecuador, si el área de captación tiene una pendiente significativa hacia el ecuador. El campo de colectores inclinado, que también funciona como chimenea, se construye en laderas adecuadas, con una pequeña chimenea vertical en la cima para alojar la turbina de aire de eje vertical. Los resultados mostraron que las centrales de energía solar de chimenea en latitudes altas pueden tener un rendimiento térmico satisfactorio. ^{[ 16 ]}

La turbina de chimenea fue concebida como un extractor de humos , e ilustrada hace 500 años por Leonardo da Vinci . Un animal asado sobre el fuego o en un horno podía girar gracias a una turbina de eje vertical con cuatro álabes angulares en la corriente ascendente de la chimenea.

Alfred Rosling Bennett publicó la primera patente que describía un "molino de convección" en 1896. ^{[ 17 ]} Aunque en el título de la patente y en las reivindicaciones aparece claramente la palabra "juguete" y aunque en la descripción general de la patente es evidente que la idea era producir dispositivos pequeños, en la página 3, líneas 49-54, Bennett prevé dispositivos mucho más grandes para aplicaciones a mayor escala. Un modelo de este "molino de convección", construido en 1919 por Albert H. Holmes & Son (Londres) para demostrar el fenómeno de las corrientes de convección, se exhibe en el Museo de Ciencias de Londres .

En 1903, Isidoro Cabanyes, coronel del ejército español, propuso una central eléctrica de chimenea solar en la revista La energía eléctrica . ^{[ 18 ]} Otra descripción temprana fue publicada en 1931 por el autor alemán Hanns Günther . ^{[ 19 ]} A partir de 1975, Robert E. Lucier solicitó patentes para un generador eléctrico de chimenea solar; entre 1978 y 1981 se concedieron patentes (ya caducadas) en Australia, ^{[ 20 ]} Canadá, ^{[ 21 ]} Israel, ^{[ 22 ]} y Estados Unidos. ^{[ 23 ]}

En 1926, el profesor ingeniero Bernard Dubos propuso a la Academia Francesa de Ciencias la construcción de una central eléctrica solar aeroeléctrica en el norte de África con su chimenea solar en la ladera de una gran montaña. ^{[ 24 ]} Una torre de tiro ascendente en la ladera de una montaña también puede funcionar como un invernadero vertical.

En 1956, Edgard Nazare , tras observar varios remolinos de polvo en el sur del Sáhara, presentó su primera patente en Argel sobre el generador de ciclones artificiales. Esta patente fue presentada nuevamente más tarde en París ^{[ 25 ].}

En 1982, se construyó un modelo experimental a pequeña escala de una torre de tiro solar ^{[ 26 ]} en Manzanares, Ciudad Real , a 150  km al sur de Madrid , España, en 39°02′34.45″N 3°15′12.21″W / 39.0429028°N 3.2533917°W / 39.0429028; -3.2533917 ( Torre de Tiro Solar de Manzanares ) . La central eléctrica funcionó durante aproximadamente ocho años. Los cables de sujeción de la torre no estaban protegidos contra la corrosión y fallaron debido al óxido y a los fuertes vientos. La torre se derrumbó y fue desmantelada en 1989. ^{[ 27 ]}

Se utilizaron materiales económicos para evaluar su rendimiento. La torre solar se construyó con placas de hierro de tan solo 1,25 milímetros (0,049 pulgadas) de espesor bajo la dirección del ingeniero alemán Jörg Schlaich . El proyecto fue financiado por el gobierno alemán. ^{[ 28 ] [ 29 ]} 

La chimenea tenía una altura de 195 metros (640 pies) y un diámetro de 10 metros (33 pies) con un área de recolección (invernadero) de 4,6 hectáreas (11 acres) y un diámetro de 244 metros (801 pies) , obteniendo una salida de potencia máxima de aproximadamente 50 kW . Se utilizaron varios materiales para las pruebas, como vidrio simple o doble o plástico (que resultó no ser lo suficientemente duradero). Una sección se utilizó como un invernadero real. Durante su funcionamiento, 180 sensores midieron la temperatura interior y exterior, recopilando datos de humedad y velocidad del viento segundo a segundo. ^{[ 30 ]} Esta configuración experimental no vendió energía.    

En diciembre de 2010, una torre en Jinshawan , Mongolia Interior , China, comenzó a operar, produciendo 200 kilovatios . ^{[ 31 ] [ 32 ]} El proyecto de 1.380 millones de RMB ( 208 millones de USD ) se inició en mayo de 2009. Estaba previsto que cubriera 277 hectáreas (680 acres) y produjera 27,5 MW para 2013, pero tuvo que reducirse. Se esperaba que la planta de chimenea solar mejorara el clima al cubrir la arena suelta, conteniendo las tormentas de arena. ^{[ 33 ]} Los críticos han dicho que la torre de 50 m de altura es demasiado baja para funcionar correctamente y que fue un error usar vidrio en marcos de metal para el colector, ya que muchos de ellos se agrietaron y rompieron con el calor. ^{[ 2 ]}

Una propuesta para construir una torre solar de tiro ascendente en Fuente el Fresno , Ciudad Real , España, denominada Ciudad Real Torre Solar, sería la primera de su tipo en la Unión Europea ^{[ 34 ]} y tendría una altura de 750 metros (2460 pies) , ^{[ 35 ]} cubriendo un área de 350 hectáreas (860 acres) . ^{[ 36 ]} Se espera que produzca 40 MW . ^{[ 37 ]} A esa altura, sería casi el doble de alta que la torre de televisión de Belmont , que alguna vez fue la estructura más alta de la Unión Europea, antes de ser acortada en 24 metros. 

En 2001, EnviroMission ^{[ 38 ]} propuso construir una planta generadora de energía solar de torre de tiro ascendente conocida como Solar Tower Buronga cerca de Buronga, Nueva Gales del Sur . ^{[ 39 ]} La empresa no completó el proyecto. Tienen planes para una planta similar en Arizona, ^{[ 40 ]} y más recientemente (diciembre de 2013) en Texas, ^{[ 41 ]} pero no hay señales de que se haya iniciado la construcción en ninguna de las propuestas de EnviroMission.

En diciembre de 2011, se informó que Hyperion Energy, controlada por los australianos occidentales Tony Sage y Dallas Dempster , planeaba construir una torre solar de tiro ascendente de 1 km de altura cerca de Meekatharra para suministrar energía a proyectos mineros del Medio Oeste. ^{[ 42 ]}

A mediados de 2008, el gobierno de Namibia aprobó una propuesta para la construcción de una chimenea solar de 400 MW llamada «Greentower». Se prevé que la torre tenga 1,5 kilómetros (4900 pies) de altura y 280 metros (920 pies) de diámetro, y su base consistirá en un invernadero de 37 kilómetros cuadrados (14 mi² ⁾ donde se podrán cultivar productos comerciales. ^{[ 43 ]}   

En Turquía se construyó un modelo de torre solar de tiro ascendente como proyecto de ingeniería civil . ^{[ 44 ]} Su funcionalidad y resultados son inciertos. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Una segunda torre solar de tiro ascendente que utiliza un colector de aire transpirado está en funcionamiento en la Universidad de Trakya en Edirne, Turquía, y se está utilizando para probar varias innovaciones en los diseños de torres solares de tiro ascendente, incluida la capacidad de recuperar el calor de los paneles fotovoltaicos (PV).

En 2012, en un entorno suburbano de Connecticut, se construyó y estudió una demostración casera de SUT (Sistema de Transformación de Energía) realizada por un alumno de primaria para una feria de ciencias escolar. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Con una chimenea de 7 metros y un colector de 100 metros cuadrados, generó un promedio diario de 6,34  mW, utilizando un ventilador de computadora como turbina. La insolación y el viento fueron los principales factores que influyeron en la variación (de 0,12 a 21,78  mW) de la producción.

En Xi'an , en el centro de China, una chimenea urbana de 60 metros con colector circundante ha reducido significativamente la contaminación del aire urbano. Este proyecto de demostración fue liderado por Cao Jun Ji, químico del Laboratorio Clave de Química y Física de Aerosoles de la Academia China de Ciencias . ^{[ 49 ]} Este trabajo se ha publicado posteriormente, con datos de rendimiento y modelos. ^{[ 50 ] [ 51 ]}

La torre solar de tiro ascendente tradicional tiene una tasa de conversión de energía considerablemente menor que muchos otros diseños del grupo de colectores solares térmicos (de alta temperatura) . La baja tasa de conversión se compensa en cierta medida con el menor costo por metro cuadrado de captación solar. ^{[ 27 ] [ 52 ] [ 53 ]}

Los cálculos del modelo estiman que una  planta de 100 MW requeriría una  torre de 1000 m y un invernadero de 20 kilómetros cuadrados (7,7 millas cuadradas ) . Una torre de 200 MW de la misma altura requeriría un colector de 7 kilómetros de diámetro (área total de aproximadamente 38 km² (15 ^millas cuadradas ) ). ^{[ 11 ]} Una central eléctrica de 200 MW proporcionará suficiente electricidad para alrededor de 200 000 hogares típicos y mitigará más de 900 000 toneladas de gases de efecto invernadero que ingresan al medio ambiente anualmente. Se espera que el área del colector acristalado extraiga alrededor del 0,5 por ciento, o 5 W/m² ^de 1 kW/m² ^, de la energía solar que incide sobre ella. Si se utiliza un colector solar transpirado en lugar del colector acristalado, la eficiencia se duplica.         

Es posible lograr mejoras adicionales en la eficiencia modificando el diseño de la turbina y la chimenea para aumentar la velocidad del aire mediante una configuración venturi. Las centrales de energía solar térmica de concentración (CSP) o fotovoltaica (CPV) tienen una eficiencia que oscila entre el 20 % y el 31,25 % ( Stirling de plato ). La eficiencia general de CSP/CPV se reduce porque los colectores no cubren toda la superficie. Sin más pruebas, la precisión de estos cálculos es incierta. ^{[ 54 ]} La mayoría de las proyecciones de eficiencia, costos y rendimientos se calculan teóricamente, en lugar de derivarse empíricamente de demostraciones, y se comparan con otras tecnologías de colectores o transducción de calor solar. ^{[ 55 ]}

Un concepto innovador que recombina una torre de refrigeración seca de una central termoeléctrica con una chimenea solar fue presentado por primera vez por Zandian y Ashjaee ^{[ 56 ]} en 2013 para aumentar la eficiencia de las torres de tiro ascendente solares. Se demostró que este sistema híbrido de torre de refrigeración y chimenea solar (HCTSC) puede producir un aumento de más de diez veces en la potencia de salida en comparación con las centrales termoeléctricas convencionales de chimenea solar como Manzanares, Ciudad Real , con dimensiones geométricas similares. Además, se demostró que con un aumento en el diámetro de la chimenea, la generación de energía puede alcanzar una potencia de salida de grado MW sin necesidad de construir enormes paneles solares individuales de chimenea. Los resultados mostraron una potencia de salida máxima de 3 MW del sistema HCTSC, lo que resultó en un aumento del 0,37 % en la eficiencia térmica de una central termoeléctrica típica de combustible fósil de 250 MW , con un diámetro de chimenea de solo 50 metros (160 pies) . El nuevo diseño híbrido hizo viable nuevamente la torre solar de tiro ascendente y demostró ser económico, ahorrando considerablemente tiempo y costos de construcción. Este concepto también recupera el calor de los radiadores que se disipa en la atmósfera sin un aprovechamiento eficiente, evitando así la generación de gases de efecto invernadero en exceso. 

El rendimiento de una torre de tiro ascendente puede verse afectado negativamente por factores como los vientos atmosféricos, ^{[ 57 ] [ 58 ]} la resistencia inducida por los soportes utilizados para sostener la chimenea, ^{[ 59 ]} y la reflexión en la parte superior del dosel del invernadero. Sin embargo, el tiro ascendente puede mejorarse con viento cruzado en el nivel superior; la creación de un vórtice de baja presión en la parte superior de la chimenea aumentaría el tiro ascendente. ^{[ 60 ]}

Una central eléctrica solar de tiro ascendente requeriría una gran inversión inicial, pero tendría un costo operativo relativamente bajo . ^{[ 11 ]}

Los desembolsos de capital serían aproximadamente los mismos que los de las centrales nucleares de próxima generación, como la AP-1000, alrededor de 5 dólares por vatio de capacidad. Al igual que otras fuentes de energía renovable, las torres no necesitan combustible. Los costos totales están determinados en gran medida por las tasas de interés y los años de operación, y varían desde 5 céntimos de euro por kWh para un 4 % y 20 años hasta 15 céntimos de euro por kWh para un 12 % y 40 años. ^{[ 81 ]}

Las estimaciones de los costos totales varían desde 7 (para una planta de 200 MW) y 21 (para una planta de 5 MW) céntimos de euro por kWh hasta 25–35 céntimos por kWh. ^{[ 82 ]} El costo nivelado de la energía (LCOE) es de aproximadamente 3 céntimos de euro por kWh para una planta eólica o de gas natural de 100 MW. ^{[ 83 ]} No se dispone de datos reales para una central eléctrica a escala industrial. ^{[ 84 ]}

• Torre de energía (de tiro descendente)
• Torre de smog
• estanque solar
• Motor de vórtice
• Captador de viento

• Schlaich Bergermann Solar
• Proyecto Hyperion, Australia Occidental
• Enlace de vídeo Torre de tiro ascendente solar española
• Enlace de vídeo Propuesta de torre australiana
• Boquilla solar
• Artículo de CNN sobre finanzas, 26 de octubre de 2006
• Torre solar Mildura en Structurae
• Estudios en la Universidad de Stellenbosch
• Programa de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de Estados Unidos
• Vórtice atmosférico como alternativa a la chimenea solar.
• Segunda Conferencia Internacional sobre Tecnología de Energía Solar mediante Chimeneas Archivada el 18 de mayo de 2014 en Wayback Machine
• 3ª Conferencia Internacional sobre Tecnología de Energía Solar mediante Torres de Tiro Ascendente
• "Torre de tiro ascendente solar" . Proyecto de demostración de Wolfram .