¿Se utilizan mucho las lentes Fresnel para la electricidad solar? Si no es así, ¿por qué no?

Question

Me preguntaba por qué las lentes Fresnel no se utilizan ampliamente en la producción de electricidad solar. Su uso allí significaría que se podría producir calor en una fracción de segundo, hasta unos pocos minutos y hacer funcionar una turbina para producir electricidad.

Aunque se utiliza en la soldadura, no estoy seguro de cuáles son los problemas en la producción de electricidad, según lo declarado por este artículo de Wikipedia :

Han aparecido nuevas aplicaciones en la energía solar, donde las lentes de Fresnel pueden concentrar la luz del sol (con una proporción de casi 500:1) en las células solares.

Answer 1

Esto es principalmente una cuestión de ingeniería y economía; y podemos tratar esos aspectos en el Intercambio de pilas de sostenibilidad Si lo desea.

Y también hay un aspecto de física conceptual.

No, las lentes fresnel no se utilizan mucho para la energía solar. Ocasionalmente, pero rara vez.

La energía solar concentrada (CSP), incluidos los fotovoltaicos concentrados (CPV) dependen de directo rayas. Los sistemas fotovoltaicos ordinarios no lo hacen; generan electricidad a partir de la luz, venga como venga; reflejada en la nieve, o dispersada por la atmósfera y por las nubes. Y se puede encontrar luz así en todo el mundo. Mientras que si necesitas rayos directos de alta intensidad durante gran parte del año, estás prácticamente confinado en los trópicos y cerca de los trópicos. Se puede ir más lejos (y de hecho hay centrales de concentración de energía solar más lejos del ecuador), pero entonces tienes un problema económico. No es algo que podamos tratar aquí, así que lo dejaré por ahora.

Aquí hay un CPV del mundo real que utiliza una lente fresnel lineal:

_{<a href="http://www.greenrhinoenergy.com/solar/technologies/images/cpv-entechsolar.jpg" rel="nofollow noreferrer"> fuente</a>}

Así, el primer problema de la CPV es que se necesita una gran cantidad de directo luz, no sólo la luz ambiental. La energía fotovoltaica ordinaria se puede arreglar con cualquiera de las dos. El segundo problema es que ninguna célula fotovoltaica se acerca al 100% de eficiencia, y aunque las células CPV tienen una eficiencia (aproximada) del 30-45%, eso significa que hasta el 70% de la energía podría acabar en forma de calor. Una parte se reflejará, pero el 30-50% de la energía luminosa directa se convertirá en calor concentrado. Y todo eso es calor en la costosa célula CPV, que hay que disipar. Cuanto más logre la lente fresnel concentrar la luz, mayor será el problema para evitar la acumulación de calor y mayor será la temperatura de equilibrio de la célula CPV.

Answer 2

Hay varias razones por las que las lentes Fresnel no se utilizan con frecuencia para la captación de energía solar; aunque pueden serlo para pequeñas aplicaciones nicho. Las lentes Fresnel son inherentemente lentes de una sola superficie; toda la potencia óptica está en la superficie dentada. La estructura acanalada de esta superficie se contamina fácilmente, por lo que es necesario limpiarla con frecuencia. Son caras de fabricar en vidrio, y la mayoría de los plásticos ópticos moldeables son degradables por los rayos UV. El problema de la contaminación de la superficie puede superarse colocando la cara estriada en el interior, hacia el foco. Esta es la peor manera posible de utilizar una lente refractora de superficie única; las aberraciones de la lente son extremadamente grandes, mientras que no son demasiado malas, con el lado ranurado hacia fuera.

Los bordes axiales de las ranuras dispersan mucha luz, lo que reduce en gran medida la eficacia de la transmisión. De todos modos, las superficies ya tienen una pérdida de reflexión de Fresnel del 8-10%, por lo que las lentes de Fresnel son ineficaces en comparación con los espejos reflectores, e incluso con las lentes moldeadas de plástico los costes son elevados. Números como la concentración de 500 x no son posibles con Fresnels lineales (de una sola dirección), e incluso con lentes rotacionalmente simétricas, lograr 500 x es difícil debido a la dispersión de los bordes no activos de las ranuras.

Answer 3

No se utilizan lentes de Fresnel, pero el fresnel reflectores puede ser pronto. Hay dos formas principales de generar electricidad a partir de la luz solar:

1. Fotovoltaicos: Estos (lo que comúnmente se conoce como "paneles solares") se utilizan generalmente sin óptica. La razón es que aceptan la luz desde casi cualquier dirección, y la potencia generada es directamente proporcional tanto a la superficie expuesta como a la intensidad de la luz. Se podría utilizar un sistema óptico para concentrar la luz de una zona más amplia en una cantidad más pequeña de material fotovoltaico, y se han hecho algunas pruebas con matrices de pequeñas lentes para hacerlo, pero en general no se produciría más energía que cubriendo simplemente la zona más amplia con material fotovoltaico. El hecho de que esto sea más económico depende de la optimización de la ingeniería (por ejemplo, tal vez permitiría utilizar una menor cantidad de un material fotovoltaico más caro), pero hasta la fecha la mayoría de los sistemas fotovoltaicos no utilizan la óptica.

2. Energía solar de concentración (CSP): La luz solar concentrada calienta un fluido térmico y este calor se utiliza para accionar una turbina. En la actualidad existen varios enfoques para ello. El más frecuente es utilizar cilindros parabólicos lineales con un fluido de transferencia de calor que fluye a través de una tubería en el punto focal. Se ha sugerido que los reflectores lineales de Fresnel serían más económicos, al ser más baratos de construir para la misma superficie de recepción (véase http://social.csptoday.com/technology/hovering-wings-linear-fresnel-technology ). El segundo método es el de las "torres solares", en el que se utiliza un conjunto de reflectores para concentrar la luz solar de una amplia zona en una sola torre ( ejemplo ). Normalmente, los espejos de seguimiento se utilizan para seguir al sol a través del cielo. En algunos aspectos, se podría pensar que este conjunto de espejos es similar a un reflector Fresnel: el conjunto, visto como un todo, es una estructura relativamente plana que imita el efecto óptico de una lente curva. Creo recordar que se ha estudiado la posibilidad de esculpir la arena del desierto con la forma de un reflector Fresnel fijo y pintarlo de blanco, pero no he encontrado ningún enlace al respecto, y puede que sea una idea que se haya desvanecido rápidamente.

Answer 4

Creo que Respuesta de EnergyNumbers es excelente, pero podría dejar a algunas personas un poco desconcertadas por lo que es exactamente un "rayo directo" y cuál es exactamente su relevancia.

La idea esencial aquí es que una lente Fresnel es un máquina de imágenes : pone una curvatura en un frente de onda de baja aberración para que ese frente de onda converja. Su funcionamiento depende de que haya frentes de onda aproximadamente planos a su entrada (si está preparado para concentrar la luz enfocándola) y es intolerante a la aberración. La luz dispersada por las nubes tiene frentes de onda de gran aberración. No hay nada especial en "Frensel"; lo siguiente se aplica a todas las ópticas de imagen. Consideremos un fotón no enredado que viene directamente del Sol (véase mi nota a pie de página): su frente de onda es casi plano cuando llega al concentrador desde el Sol. Puede haber una pequeña cantidad de "centelleo", es decir el frente de onda se ha distorsionado un poco por la interacción de la atmósfera, pero la aberración es pequeña. Por lo tanto, el enfoque puede ser estrecho: hasta el límite de Abbe si no hay aberración.

Por otra parte, la luz que nos llega después de la interacción con las nubes tiene un frente de onda que se contorsiona salvajemente. La óptica de imagen no la concentra, lo que se refleja en la alta sensibilidad de la relación Strehl de los objetivos a la aberración. Piense en un láser que incide sobre un trozo de vidrio esmerilado: verá un moteado. La luz sigue siendo perfectamente "coherente" en el sentido de estar altamente correlacionada estadísticamente en diferentes puntos del espacio y el tiempo, pero los frentes de onda están por todas partes y no se pueden concentrar mediante el procesamiento del frente de onda, es decir por la óptica de la imagen.

Ahora bien, los rayos no son más que una forma de describir la normal a los frentes de onda de un campo luminoso; de hecho, la capacidad de pensar en términos de rayos depende de la aproximación eikonal a la descripción fotónica maxwelliana a la que he aludido anteriormente. Otra forma de pensar en todo esto es a través de la ley de conservación de la étendue, o la segunda ley de la termodinámica aplicada a la luz. La radiación solar "directa" entrante está formada por rayos paralelos, perfectamente alineados. Su etendencia, o entropía, es nula o muy cercana a ella (busque el Página de Wikipedia sobre la étendue para su definición ). Al ser dispersada por las nubes, la entrada a un concentrador se compone de rayos esparcidos aleatoriamente en todas las direcciones: se trata de una configuración de alta etendencia. Esto limita mucho la capacidad de concentración de esta luz: el concentrador simplemente no puede disminuir la tendencia: la anchura del haz sólo puede reducirse sin pérdidas aumentando la dispersión de los ángulos en el haz de rayos que describe la luz.

Así, en Respuesta de EnergyNumbers En este caso, un "rayo directo" debe entenderse como un miembro de un conjunto de baja étendue, bien alineado.

Y, para responder al problema de la luz de alta étendue: construimos cosas como la fotovoltaica que funciona con luz no concentrada. No hay ningún problema de étendue que sortear aquí: los fotovoltaicos simplemente viven con étendue y no necesitan ningún concentrador en absoluto (por cierto, esto no está muy relacionado con la razón por la que los fotovoltaicos son de baja eficiencia).

Nota a pie de página: Sólo planteo aquí la descripción del "fotón" porque ayuda a desmitificar por qué podemos tratar un láser o un haz incoherente muy colimado es decir luz directamente del Sol, exactamente de la misma manera en lo que respecta a la óptica de la imagen. Si la descripción fotónica de la luz en estos términos no le resulta familiar, vea mi respuesta a "¿Cómo podemos interpretar la polarización y la frecuencia cuando se trata de un solo fotón?" . Esencialmente, cuando se mira la luz fotón por fotón, un rayo láser y un rayo incoherente colimado son lo mismo: los fotones solitarios se propagan según las ecuaciones de Maxwell y, por tanto, su campo tiene frentes de onda e interferencia y todas las demás cosas que asociamos habitualmente con la luz coherente -en palabras de Paul Dirac, cada fotón interfiere sólo consigo mismo-, por lo que es como un pequeño rayo coherente. Al menos, este pensamiento funciona para los fotones no enredados.

Answer 5

Aunque no es habitual utilizar lentes de Fresnel para la generación de electricidad, en el estado indio de Rajastán está a punto de concluirse una central eléctrica de 100 MW que utiliza la tecnología de las lentes de Fresnel lineales. Por lo tanto, decir que esta tecnología no es viable para su uso a gran escala no es correcto y puede llegar el momento en que, si la generación de energía mencionada anteriormente va bien, el escenario puede cambiar a favor de la tecnología de lentes Fresnel.