La Simulación Ayuda a Aprovechar El Poder del Sol

Se espera que las fuentes de energía renovables desempeñen un papel fundamental en el esfuerzo global para lograr emisiones netas cero para 2050, y la energía solar es la principal entre esas alternativas, en gran parte porque su implementación es económica y puede generar electricidad en cualquier clima.

Pero antes de que se pueda contar con la energía solar para ayudar a alcanzar los objetivos de descarbonización acordados internacionalmente (sin mencionar el apoyo al triple aumento en el consumo de energía que la Administración de Información Energética de EE. UU. (EIA) predice que sucederá en los próximos 25 años), dos cosas sucederán. Tendrá que haber un aumento masivo en la adopción de energía solar en todo el mundo y avances significativos en la tecnología de generación y almacenamiento.

En particular, el mundo tendrá que superar la falta de almacenamiento sostenible a escala de servicios públicos, que influye en la prevención de la adopción generalizada de la energía solar.

La empresa australiana de energía renovable RayGen ha apuntado a ese problema, desarrollando lo que dice es el proyecto de almacenamiento de energía de larga duración más grande del mundo cerca de Carwarp, Victoria. El proyecto utiliza 1.200 espejos de concentración montados en soportes llamados helióstatos para seguir el sol, generando electricidad a través de módulos solares fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento y luego almacenando el calor derivado en un pozo de agua del tamaño de cuatro piscinas olímpicas. Posteriormente, el calor se convierte en electricidad gestionable. El proyecto está diseñado para entregar cuatro megavatios (MW) de generación solar y 50 megavatios hora (MWh) de almacenamiento, produciendo electricidad según demanda a través de un motor de ciclo orgánico Rankine (ORC) de 2,8 MW, para su consumo por parte de la empresa de servicios públicos más grande de Australia, AGL Energy. .

RayGen utiliza el software de simulación Ansys para modelar numerosos elementos de su planta de energía, incluidos los helióstatos, los receptores que capturan la energía solar enfocada y los componentes del sistema de almacenamiento. Trabajan con LEAP Australia , Ansys Elite Channel Partner para Australia y Nueva Zelanda, para acceder a Ansys Fluent , Ansys Mechanical y Ansys Zemax OpticStudio a través del Ansys Startup Program.

Probablemente hayas escuchado a críticos sugerir que la energía solar es buena sólo cuando brilla el sol, y en realidad su preocupación tiene cierto fundamento. Si bien los propietarios de viviendas y las empresas pueden capturar y almacenar energía solar mediante baterías grandes y costosas que suministran energía cuando no hay sol, no ha habido mucho en cuanto a almacenamiento efectivo y de bajo costo para paneles solares más grandes como los de red. -huertos solares conectados.

Sin suficiente capacidad de almacenamiento, muchas redes se sobrecargan al mediodía, lo que hace que los proveedores de servicios reduzcan su generación solar. Tan pronto como se pone el sol o el cielo se nubla, dando sombra a los paneles, las compañías eléctricas deben volver a los métodos de generación tradicionales. En consecuencia, la falta de almacenamiento adecuado de energía solar para uso nocturno (cuando la demanda de los consumidores suele ser más alta) sigue siendo una de las principales limitaciones que impiden que la tecnología solar se adopte masivamente.

Es posible que RayGen finalmente haya desmantelado este obstáculo.

Como parte de su impulso para acelerar la transición a la energía renovable, la empresa con sede en Melbourne ha desarrollado un enfoque mejorado para la energía solar, uno que, según afirman, energiza la red en todo momento del día y de la noche, incluso cuando las condiciones climáticas son malas.

Su tecnología se basa en el concepto de “almacenamiento de energía térmica en pozo”, una tecnología que RayGen tomó prestada de la red de calefacción urbana en Europa, donde países como Dinamarca utilizan energía solar térmica para calentar grandes masas de agua durante el verano. En invierno, las empresas de servicios públicos hacen circular esa agua caliente a través de la red de calefacción urbana para calentar los hogares de las personas.

“Es una tecnología establecida que adoptamos para nuestra aplicación”, dice Kira Rundel, jefa de proyectos estratégicos de RayGen. “Permite almacenar agua caliente durante largos períodos de tiempo con pérdidas mínimas. Entonces, almacenamos agua a 90 °C durante días, semanas o meses seguidos y solo perdemos entre el 5% y el 10% de esa energía térmica en el transcurso de seis meses. Es una forma extremadamente eficiente de almacenar energía”.

Un pasto de ovejas que se encuentra aproximadamente a seis horas en auto al noroeste de la oficina central de RayGen es el sitio del proyecto emblemático de la compañía: una planta de energía solar de próxima generación y un sistema de almacenamiento de energía electrotérmica (ETES). Al combinar lo que RayGen denomina su “Sistema PV Ultra” con un sistema de almacenamiento a base de agua, la compañía ha creado con éxito una instalación de alta eficiencia, la primera de su tipo, para la generación y el almacenamiento de energía derivada enteramente del sol.

El sistema PV Ultra es un gran campo de helióstatos que concentran la luz solar en un único receptor de alta capacidad. Los helióstatos están calibrados para seguir la posición del sol en el cielo y redirigir la mayor cantidad posible de energía solar al receptor. Ubicado en lo alto de una torre muy por encima del campo de helióstatos, el receptor captura la luz solar concentrada con la ayuda de cientos de módulos solares de GaAs III-V de alto rendimiento que son aproximadamente dos mil veces más potentes que los paneles fotovoltaicos de silicio tradicionales, bajo concentración. Esta configuración permite que el sistema PV Ultra convierta la energía capturada en electricidad y calor con una eficiencia del 90 %.

RayGen captura ese calor, tan intenso que podría derretir acero, haciendo circular agua fría a través de las células solares. El agua sale de las células solares a unos 95 °C y se retiene en un enorme pozo de agua aislado, que tiene capacidad para almacenar hasta gigavatios hora (GWh) de energía.

En un proceso simultáneo, una parte de la electricidad generada por el sistema PV Ultra se ramifica para enfriar el agua contenida en un segundo pozo, ubicado al lado del pozo caliente. Al mantener una diferencia de temperatura de 90 °C entre los pozos de agua fría y caliente, este sector de la planta de energía solar RayGen tiene la capacidad de alimentar un motor ORC que genera y entrega energía bajo demanda directamente a una red eléctrica conectada de la misma manera. como planta geotérmica. El sistema tiene una eficiencia de ida y vuelta del 70-80% a menos de la mitad del costo de un sistema de almacenamiento basado en baterías.

Desarrollar un sistema tan complejo como la planta de energía solar de RayGen implica tener en cuenta todo, desde la electrónica y la hidrodinámica hasta los movimientos de la Tierra y el Sol. Si bien es concebible que ingenieros capaces puedan diseñar una instalación de este tipo con sólo lápiz, papel y conocimientos, sin la ayuda de la simulación digital sería una tarea monumentalmente larga, ardua y costosa. Al emplear soluciones de Ansys, los ingenieros de RayGen encontraron una manera más rápida.

Teniendo en cuenta que los rayos del sol llegan a la Tierra desde diferentes ángulos y con intensidad variable a lo largo del día y a lo largo de un año, RayGen recurrió a OpticStudio para asegurarse de que los helióstatos siempre entreguen el máximo de luz y calor a sus receptores. Sin el modelado numérico en Zemax, habría sido casi imposible lograr el mejor diseño para cada campo de helióstatos.

Thomas Evans, ingeniero mecánico de RayGen, estima que “el uso de la simulación Ansys nos ha ahorrado meses de tiempo de diseño y una cantidad considerable de horas de trabajo. Además, en lugar de requerir una inversión de capital significativa en múltiples prototipos y fases de prueba, podemos estar seguros de que estamos avanzando por el camino correcto, tanto óptica como mecánicamente, antes de comprometernos a construir algo”.

Las capacidades de análisis y simulación óptica de OpticStudio permiten a los ingenieros de RayGen ejecutar miles de simulaciones comparando los efectos del ajuste de múltiples variables como el tamaño, el espaciado y la curvatura del conjunto de helióstatos, así como su distancia desde el receptor y el ángulo del espejos individuales. Al integrar datos solares con estas simulaciones, RayGen pudo calcular la disposición óptima de todo el conjunto y la automatización necesaria para mantener la orientación óptima de cada helióstato a lo largo del tiempo.

La simulación óptica también contribuyó al diseño del receptor. En cada uno de los cuatro lados del receptor, un modificador de flujo funciona para ampliar la apertura del receptor, capturando cualquier luz proveniente de los heliostatos y reflejándose hacia los módulos solares dentro de ellos. Al incorporar este factor en los parámetros de diseño del sistema, los ingenieros de RayGen pudieron asegurar la mayor concentración posible de energía solar en el receptor, una cantidad 1.000 veces mayor que el sol mismo.

Los heliostatos deben funcionar durante todo el año, ya sea que haga frío o calor, haya viento o calma, llueva o esté seco el desierto, lo que significa que las propiedades del material deben poder soportar variaciones climáticas considerables. Al mismo tiempo, para que el sistema PV Ultra tenga éxito como solución energética práctica y replicable, el mundo necesitará muchos helióstatos, por lo que la economía debe ser la adecuada. La funcionalidad, la adaptabilidad y el costo unitario son factores determinantes a la hora de seleccionar materiales.

Utilizando Mechanical para analizar las cargas estructurales del peor de los casos, los ingenieros de RayGen idearon un diseño final de helióstato que requiere un mínimo de acero pero que puede soportar condiciones climáticas adversas sin verse comprometido ni perder su relación con el receptor.

Fluent ayudó a los ingenieros de RayGen a desarrollar múltiples aspectos de su sistema de almacenamiento de energía termohidráulica, que consta de dos pozos de agua con aislamiento térmico y tapados, uno lleno de agua caliente y otro de agua fría. Los modelos fluidos de dinámica computacional (CFD) optimizaron el flujo de agua a través del sistema de enfriamiento de cobre ubicado detrás de los módulos solares para mantenerlos a una temperatura de funcionamiento aceptable.

La simulación también permitió a los ingenieros diseñar los grandes difusores circulares en las entradas y salidas de los pozos de almacenamiento de agua caliente del sistema hidrotérmico.