ES2206832T3 - Aparato para separar la radiacion solar en componentes de longitud de onda larga y corta. - Google Patents

Abstract

EL APARATO CONSTA DE UN ESPEJO (27) QUE INCLUYE UN FILTRO SELECTOR DE ESPECTRO, COMO POR EJEMPLO, UN FILTRO DE INTERFERENCIA O DE BISEL, EL ESPEJO ESTA CURVADO PARA CONCENTRAR UNA COMPONENTE DE RADIACION SELECCIONADA PARA SER TRANSMITIDA A UN APARATO EXTERIOR.

Description

Aparato para separar la radiación solar en componentes de longitud de onda larga y corta.

La presente invención se refiere a un aparato para separar la radiación solar de longitud de onda más corta y más larga, de manera que las componentes separadas del espectro de radiación solar pueden utilizarse según se requiera en aplicaciones seleccionadas de uso final, tal como la producción de hidrógeno.

El uso de hidrógeno como portador de energía, particularmente en el contexto como combustible, presenta las siguientes ventajas técnicas significativas sobre otras fuentes de energía:

1.

Consideraciones desde el punto de vista del suministro: el hidrógeno es inagotable, almacenable, transportable y tiene una elevada densidad de energía en comparación con otros combustibles químicos.

2.

Consideraciones desde el punto de vista de la demanda: el hidrógeno es no contaminante, más versátil que la electricidad, más eficaz que la gasolina y convertible directamente en calor y electricidad tanto en aplicaciones móviles como fijas.

A título de comparación particular, el uso a gran escala de la energía solar como fuente de energía ha estado limitado por razones técnicas y por el coste debido a una falta de un medio adecuado de almacenaje a corto y a largo plazo para la energía solar.

Sin embargo, no obstante las anteriores ventajas técnicas de hidrógeno como fuente de energía, el coste de producción de hidrógeno ha sido hasta ahora demasiado elevado para el uso extendido como combustible.

En el caso de la producción de hidrógeno por electrólisis de agua, un factor importante del elevado coste de producción ha sido el coste de la electricidad para hacer funcionar las células de electrólisis. En el caso específico de la electricidad generada por radiación solar, el alto coste de la electricidad es debido en gran parte al relativamente bajo rendimiento de la conversión fotovoltáica (o térmica) de la energía solar en electricidad lo que significa que es necesario un número relativamente grande de células fotovoltáicas (o en el caso de la conversión térmica una gran área de recogida) para generar una producción unitaria de electricidad.

El documento EP-A-0.019.016 describe un colector de energía solar que utiliza un filtro selectivo para separar la radiación en radiación térmica y luminosa. La energía se recoge por un espejo paraboloidal sobre el que está montado el filtro. Esto transmite radiación por debajo de una cierta longitud de onda y la refleja hacia arriba. La energía térmica reflejada es absorbida y utilizada por una tubería a través de la cual fluye un medio de transferencia de calor, al que está enfocado el espejo a través del reflector. La energía transmitida también está enfocada en una placa absorbente que es una célula solar. La disposición permite una completa absorción sin la necesidad de enfriar la célula solar.

Según la presente invención, se proporciona un aparato para separar la radiación solar en una componente de longitud de onda más larga y en una componente de longitud de onda más corta, comprendiendo el aparato: un medio para concentrar la radiación solar; un espejo colocado en la trayectoria luminosa de la radiación solar procedente del medio de concentración, para reflejar selectivamente o bien la componente de longitud de onda más larga o bien la componente de longitud de onda más corta del espectro de radiación solar, comprendiendo el espejo un filtro espectralmente selectivo para hacer del espejo transparente a la componente no reflejada del espectro de radiación solar, con fines de permitir que la componente no reflejada pase a través del espejo hasta un primer receptor, y estando el espejo curvado de manera apropiada para concentrar y dirigir selectivamente la componente de longitud de onda más larga o más corta hacia un segundo receptor que es externo al aparato.

Se prefiere que el aparato comprenda además una fibra óptica o una guía de luz para transferir la componente de longitud de onda más larga o más corta reflejada concentrada para su uso en una aplicación de uso final.

Particularmente, se prefiere que la aplicación de uso final sea la generación de hidrógeno por electrólisis de agua.

La presente invención se describe adicionalmente a título de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

La Figura 1 ilustra esquemáticamente una realización de un aparato para producir hidrógeno según la presente invención;

La Figura 2 ilustra esquemáticamente otra realización de un aparato para producir hidrógeno según la presente invención;

La Figura 3 ilustra esquemáticamente otra realización de un aparato para producir hidrógeno según la presente invención;

La Figura 4 ilustra esquemáticamente otra realización de un aparato para producir hidrógeno según la presente invención;

La Figura 5 es un esquema que muestra los componentes principales de un instrumento de ensayo experimental basado en la realización preferida del aparato mostrado en la Figura 1; y

La Figura 6 es una vista detallada de la célula de electrólisis del instrumento de ensayo experimental mostrado en la Figura 4.

El aparato mostrado esquemáticamente en la Figura 1 comprende una forma adecuada de concentrador solar 3 que enfoca una parte de la radiación solar incidente sobre una batería de células solares 5 para generar electricidad y el resto de la radiación solar incidente sobre una forma adecuada de receptor 7 para generar energía térmica.

La electricidad y la energía térmica generadas por la radiación solar incidente son transferidas a una forma adecuada de célula 9 de electrólisis de modo que:

(a)

una parte de la energía térmica convierta una corriente de entrada de agua para la célula 9 de electrólisis en vapor de agua y caliente el vapor de agua a una temperatura de unos 1000ºC; y

(b)

la energía eléctrica y el resto de la energía térmica hagan funcionar la célula 9 de electrólisis para descomponer el vapor de agua a alta temperatura en hidrógeno y oxígeno.

El hidrógeno es transferido desde la célula 9 de electrólisis a una forma adecuada de tanque 11 de almacenaje.

El receptor 7 puede ser de cualquier forma adecuada de aparato, tal como un intercambiador de calor, que permita que la radiación solar sea convertida en energía térmica.

El aparato mostrado en la Figura 1 comprende además unos medios de intercambiador de calor (no ilustrados) para extraer energía térmica del hidrógeno y del oxígeno (y de cualquier vapor de agua de escape) producidos en la célula 9 de electrólisis y para utilizar después la energía térmica recuperada en la etapa de convertir la corriente de entrada de agua en vapor de agua para el consumo en la célula 9 de electrólisis. Se hace observar que la energía térmica recuperada se halla a una temperatura relativamente inferior que la energía térmica generada por radiación solar. En consecuencia, preferentemente, la energía térmica recuperada se utiliza para precalentar el agua de entrada y la energía térmica generada por la radiación solar se utiliza para proporcionar el resto de la componente de calor requerida para convertir el agua o el vapor de agua de alimentación en vapor de agua a 1000ºC y para contribuir al funcionamiento de la célula 9 de electrólisis.

Se hace observar que la componente de la energía térmica que se utiliza endotérmicamente a alta temperatura en la célula 9 de electrólisis es consumida con un rendimiento de casi el 100%. Esta elevada utilización de la energía térmica es un factor principal en el elevado rendimiento total del sistema. Se hace observar también que son necesarias altas temperaturas para lograr el alto rendimiento de energía térmica y en consecuencia sólo los sistemas que pueden recoger y entregar energía térmica en altas temperaturas (700ºC+) pueden lograr el alto rendimiento.

El aparato mostrado en la Figura 1 es un ejemplo de una disposición en paralelo de células solares 5 y del receptor de energía térmica. Los aparatos mostrados esquemáticamente en las Figuras 2 a 4 son ejemplos de tales disposiciones en serie.

El aparato mostrado esquemáticamente en las Figuras 2 a 4 aprovecha el hecho de que las células solares absorben selectivamente longitudes de onda más cortas y pueden ser transparentes a longitudes de onda más largas del espectro de la radiación solar. Respecto a ello, el umbral es del orden de 1,1 \mum para células solares de silicio y de 0,89 \mum para células de GaAs dejando de 25% a 35% de la energía entrante de la radiación solar, que normalmente se desperdicia, para el uso como energía térmica.

El aparato mostrado en las Figuras 2 a 4, en cada caso, está dispuesto de modo que en servicio la radiación solar sea reflejada desde un concentrador solar 3 sobre una célula solar 15 para generar electricidad a partir de la componente de longitud de onda más corta de la radiación solar, y la radiación solar que no se utiliza para la generación de electricidad, es decir la componente de longitud de onda más larga, se dirige hacia un receptor (no ilustrado) de energía térmica de una célula 17 de electrólisis para convertir la radiación solar en energía térmica. El aparato mostrado en las Figuras 2 a 4, en cada caso, comprende unos medios que, en servicio, separan las componentes de longitud de onda más larga y más corta del espectro de radiación solar de modo que las componentes puedan utilizarse por separado para la generación de energía térmica y la generación de electricidad, respectivamente.

Los medios que separan la radiación solar comprenden un espejo 27 (no ilustrado en la Figura 2 pero ilustrado en las Figuras 3 y 4) situado o posicionado frente o detrás de las células solares 15.

En los casos en que el espejo 27 está posicionado frente a las células solares 15, como se muestra en las Figuras 3 y 4, el espejo 27 comprende un filtro de interferencia o un filtro de borde (no ilustrado) que hace que el espejo 27 sea transparente a la componente de longitud de onda más corta del espectro de radiación solar.

El espejo 27 puede ser de cualquier forma adecuada para reflejar y dirigir selectivamente la componente de longitud de onda más larga del espectro de radiación solar. Por ejemplo, en los casos en que el espejo 27 está posicionado frente a las células solares 15 y el foco del concentrador solar 3, como se muestra en las Figuras 3 y 4, el espejo 27 puede tomar la forma de un espejo de cassigraniano; y en los casos en que el espejo 27 está posicionado detrás del foco del concentrador solar 3, el espejo puede tomar la forma de un espejo gregoriano.

La radiación de longitud de onda más larga reflejada por las células solares 15 puede ser transferida a la célula 17 de electrólisis por cualesquiera medios adecuados 21 de transferencia, tales como una tubería de calor (no ilustrada) o una fibra óptica (o guía de luz), como se muestra en las Figuras 2 y 4, o directamente como radiación, como se muestra en la Figura 3.

Con particular referencia al aparato mostrado en la Figura 4, la célula 17 de electrólisis está situada lejos de las células solares 15 y el aparato comprende además un concentrador 33 sin formación de imagen para concentrar la componente reflejada de longitud de onda más larga de la radiación solar antes de la transferencia de la componente concentrada hacia la fibra óptica o guía 21 de luz.

Las células 9, 17 de electrólisis mostradas en las figuras pueden ser de cualquier configuración adecuada. Típicamente, las células 9, 17 de electrólisis están formadas por un material, tal como circonia estabilizada con itria (YSZ), que es poroso al oxígeno e impermeable a otros gases, y los accesorios, tales como las membranas y los electrodos (no ilustrados) están formados a partir de materiales tales como aleaciones y cermets.

El aparato de la presente invención, como se ha descrito anteriormente, tiene en cuenta los aspectos siguientes:

(a)

el potencial eléctrico y la energía eléctrica necesarios para producir hidrógeno en una célula de electrólisis disminuyen a medida que aumenta la temperatura, y el resto de las necesidades de energía para hacer funcionar las células de electrólisis puede ser proporcionado en forma de energía térmica;

(b)

el rendimiento de la generación de energía térmica a partir de radiación solar es significativamente superior (del orden de 3 a 4 veces) que el rendimiento de la generación de electricidad a partir de radiación solar; y

(c)

el rendimiento del consumo de la energía térmica endotérmicamente en la célula de electrólisis se aproxima al 100%.

Debe destacarse que el solicitante considera que el uso de la energía térmica subproducto sólo puede ejecutarse prácticamente con los medios descritos aquí, dado que otros métodos actualmente conocidos no son capaces de transferir la energía para producir una temperatura superior a 1000ºC.

En otras palabras, una ventaja particular consiste en que, como consecuencia de poder separar las componentes de longitud de onda más larga y más corta del espectro de radiación solar, es posible recuperar, transportar y utilizar esta componente de longitud de onda más larga en aplicaciones de alta temperatura en las cuales, de otra forma, esta componente de longitud de onda más larga se hubiera convertido en calor de baja temperatura (típicamente inferior a 45ºC) y sería inutilizable.

Otras ventajas son las siguientes:

1.

El rendimiento de la producción de hidrógeno es mayor que cualquier otro método conocido de producción de hidrógeno generado por radiación solar.

2.

La presente invención aumenta el rendimiento total del sistema, es decir que el rendimiento de producir hidrógeno por medio de este método es mayor que el rendimiento de producir solamente electricidad.

3.

La presente invención proporciona un medio, a saber el hidrógeno, para el almacenaje eficiente de la energía solar no disponible hasta ahora económicamente y supera así la principal restricción tecnológica al uso a gran escala de la energía solar.

Debe hacerse observar que se espera que las prestaciones sobrepasen el rendimiento del 50%. Las prestaciones teóricas son del orden del 60%, mientras que no se espera que la tecnología existente sobrepase en la práctica el rendimiento del 14% y tiene un límite de umbral del 18%.

El solicitante realizó trabajo experimental, como se describe en lo que sigue, en un instrumento de ensayo experimental mostrado en las Figuras 5 y 6 que se basa en la realización del aparato mostrado en la Figura 1.

Con referencia a las Figuras 5 y 6, el instrumento de ensayo experimental comprendía un plato 29 de concentración solar paraboloide de un diámetro de 1,5 m dispuesto para realizar un seguimiento en dos ejes y capaz de producir un flujo de radiación solar de aproximadamente 1160 soles y una temperatura máxima de aproximadamente 2600ºC. Se hace observar que era necesaria menos que la capacidad total de potencia y de concentración del plato 29 de concentración para el trabajo experimental y por lo tanto los componentes (no ilustrados) de recepción se posicionaron adecuadamente en relación con el plano focal y/o se blindaron para producir las temperaturas y las densidades de energía deseadas.

El instrumento experimental comprendía además, en la zona focal del plato 29 de concentración solar, un conjunto de una célula 31 de electrólisis, un blindaje/distribuidor tubular 45 de calor que rodeaba a la célula 31 de electrólisis, una célula solar 51 y un tramo de tubería 41 arrollado alrededor del blindaje/distribuidor 45 de calor, extendiéndose un extremo hacia el interior de la célula 31 de electrólisis y estando el otro extremo conectado con una fuente de agua.

La célula solar 51 comprendía una célula de concentrador fotovoltaica de GaAs (área activa 19,6 mm) para convertir la radiación solar desviada por el plato concentrador 29 en energía eléctrica. La célula fotovoltaica de GaAs se seleccionó debido al alto rendimiento de conversión (hasta el 29% actualmente) y a la capacidad de trabajar con alta densidad de flujo (1160 soles) a elevadas temperaturas (1000ºC). Además, la tensión de salida de aproximadamente 1 a 1,1 voltios en el punto de máxima potencia se apareaba idealmente para la conexión directa con la célula 31 de electrólisis para el funcionamiento a 1000ºC.

Con particular referencia a la Figura 6, la célula 31 de electrólisis era en forma de un tubo 33' de extremos cerrados, de YSZ, de 5,8 cm de longitud por 0,68 cm de diámetro, recubierto por el interior y por el exterior con electrodos 35, 37 de platino que formaban cátodos y ánodos, respectivamente, de la célula 31 de electrólisis que tenían un área superficial externa de 8,3 cm^{2} y un área superficial interna de 7,6 cm^{2}.

El tubo metálico 45 estaba posicionado alrededor de la célula 31 de electrólisis para reducir, promediar y transferir el flujo solar sobre la superficie de la superficie exterior de la célula 31 de electrólisis.

El instrumento de ensayos experimentales comprendía además termopares 47 (Figura 6) conectados al cátodo 35 y al ánodo 37 para medir continuamente las temperaturas en el interior y en el exterior, respectivamente, de la célula 31 de electrólisis, un alambre 32 de platino, de 1 mm^{2}, que conectaba al cátodo 35 con la célula solar 51, una resistencia (0,01 \Omega) de caída de tensión (no ilustrada) en el circuito que conectaba el cátodo 35 y la célula solar 51 para medir la corriente o intensidad del circuito y un transmisor de datos (no ilustrado) Yokogawa HR-1300 Data Logger.

El instrumento de ensayos experimentales se hizo trabajar con la célula 31 de electrólisis por encima de 1000ºC durante aproximadamente dos horas y media con un exceso de vapor de agua aplicado a la célula 31 de electrólisis. La corriente de salida del vapor de agua no reaccionado y el hidrógeno generado en la célula 31 de electrólisis se hizo burbujear a través de agua y el hidrógeno se recogió y se midió en un vaso para gases.

Cuando se alcanzó un estado de funcionamiento constante, se registraron las lecturas de temperatura, tensión, intensidad y producción de gas y los resultados se resumen en la siguiente Tabla 1.

1

Sobre la base de la tensión medida de la célula de electrólisis de 1,03 V registrada en la Tabla 1 y una tensión termoneutra determinada de 1,47, el rendimiento eléctrico de la célula 31 de electrólisis, calculado como la relación de las tensiones termoneutra y medida, fue de \frac{1,47}{1,03}=1,43

En función del rendimiento de la célula solar, con la célula solar 31 posicionada para recibir una relación de concentración de 230 soles y suponiendo:

(a)

una tensión de salida = 1,03 (=tensión a través de la célula de electrólisis y tiene en cuenta las pérdidas de conexión);

(b)

una tensión de 0,67 Amperios;

(c)

la entrada solar directa es de 800 w/m^{i2}; y

(d)

un área activa de la célula solar = 19,6 x 10^{-6}m^{2}.

el rendimiento de la célula solar 51 (\eta_{pv}) fue de

\eta pv =\frac{salida}{entrada}=\frac{1,03x0,67}{\frac{19,6}{10^{0,6}}x230x800}=\frac{0, 69}{3,6}= 0,19

Con una reflectividad espectral de 0,9 para la superficie del espejo del plato 29 de concentración solar, el rendimiento del plato 29 del concentrador solar fue de 0,85.

Así, el rendimiento total del sistema de la célula solar 51, de la célula 31 de electrólisis y de la óptica (\eta_{total}) fue de

\eta _{total} = 0,85x0,19x1,43 = 0,22 \ (22%)

Las anteriores cifras del 22% son aproximadamente el doble de los mejores sistemas propuestos anteriormente y más de tres veces la cifra óptima registrada para una planta en servicio.

Los resultados del trabajo experimental del instrumento de ensayos experimentales establecen que:

(a)

es posible producir hidrógeno por electrólisis a alta temperatura de agua efectuada totalmente por radiación solar,

(b)

el rendimiento de producción mejora en gran manera respecto a los sistemas conocidos, y

(c)

una parte importante o significativa del calor de la radiación solar puede utilizarse directamente en la reacción de electrólisis, reduciendo así en gran manera la cara alimentación eléctrica hasta casi la mitad.

Si bien las realizaciones preferidas describen el uso de células solares para convertir energía solar en electricidad, se observará fácilmente que la presente invención no está limitada a ello y se extiende a cualesquiera convertidores adecuados de radiación solar en electricidad.

Además, si bien las realizaciones preferidas describen que la presente invención separa las componentes de longitud de onda más larga y más corta del espectro de radiación solar por reflexión de la componente de longitud de onda más larga, puede observarse fácilmente que la presente invención no está limitada a tal disposición y se extiende a disposiciones en las cuales se refleja la componente de longitud de onda más corta.

Claims (7)

1. Aparato para separar la radiación solar en una componente de longitud de onda más larga y una componente de longitud de onda más corta, comprendiendo el aparato: un medio (3) para concentrar la radiación solar; un espejo (27) colocado en la trayectoria luminosa de la radiación solar procedente del medio (3) de concentración, para reflejar selectivamente o bien la componente de longitud de onda más larga o bien la componente de longitud de onda más corta del espectro de radiación solar, comprendiendo el espejo (27) un filtro espectralmente selectivo para hacer que el espejo (27) sea transparente a la componente no reflejada del espectro de radiación solar con el fin de permitir que la componente no reflejada pase a través del espejo (27) a un primer receptor (15), caracterizado porque el espejo (27) está curvado de manera apropiada con el fin de concentrar y dirigir selectivamente la componente de longitud de onda más larga o más corta hacia un segundo receptor (17; 31) que es externo al aparato.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el filtro espectralmente selectivo comprende un filtro de interferencia o de borde.

3. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además un concentrador (33) sin formación de imagen para concentrar adicionalmente la componente reflejada de longitud de onda más larga o más corta desde el espejo (27).

4. Aparato según la reivindicación 3, que comprende además un medio (21) para transportar la componente reflejada de longitud de onda más larga o más corta para su uso en una aplicación de uso final.

5. Aparato según la reivindicación 4, en el que el medio (21) de transporte es una fibra óptica o una guía de luz.

6. Aparato según la reivindicación 4 ó 5 en combinación con un equipo de aplicación de uso final que comprende un generador electrolítico para generar hidrógeno a partir de agua, un motor Stirling para generar electricidad para la potencia en el eje, un calentador de vapor o un recalentador.

7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo receptor (17; 31) está colocado en una posición que se encuentra alejada del primer receptor (15).