¿Las lentes de Fresnel son ampliamente utilizadas para la electricidad solar? ¿Si no, porque no?

Esta es principalmente una pregunta de ingeniería y economía; y podemos tratar esos aspectos en Sustainability Stack Exchange , si lo desea.

Y también hay un aspecto de física conceptual.

No, las lentes Fresnel no se usan mucho para la energía solar. De vez en cuando, pero rara vez.

La energía solar concentrada (CSP), incluida la fotovoltaica concentrada (CPV), depende de los rayos directos . Las fotovoltaicas ordinarias no; generan electricidad a partir de la luz independientemente de cómo entre; reflejada en la nieve o dispersada por la atmósfera y las nubes. Y puedes encontrar luz como esa en todo el mundo. Mientras que si necesita rayos directos de alta intensidad durante gran parte del año, está prácticamente confinado a los trópicos y cerca de los trópicos. Puedes ir más lejos (y de hecho hay estaciones de concentración de energía solar más lejos del ecuador), pero entonces tienes un problema económico. Eso no es algo con lo que podamos lidiar aquí, así que lo dejaré por ahora.

Aquí hay un CPV del mundo real usando una lente Fresnel lineal:

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Entonces, el primer problema con CPV es que necesita mucha luz directa , no solo luz ambiental. El fotovoltaico ordinario puede arreglárselas con cualquiera. El segundo problema es que ninguna celda fotovoltaica tiene una eficiencia cercana al 100 %, y aunque las celdas CPV han alcanzado (aproximadamente) un 30-45 % de eficiencia, eso todavía significa que hasta el 70 % de la energía podría terminar como calor. Algo se reflejará, pero aún habrá un 30-50% de la energía de la luz directa que se convertirá en calor concentrado. Y todo eso es calor en la costosa celda CPV, que tienes que disipar. Cuanto más exitosa sea la lente Fresnel para concentrar la luz, mayor será su problema para evitar la acumulación de calor y mayor será la temperatura de equilibrio en su celda CPV.

Hay varias razones por las que las lentes de Fresnel no se utilizan con frecuencia para la captación de energía solar; aunque pueden ser para aplicaciones de nicho pequeño. Las lentes de 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, necesitando una limpieza frecuente. Son caros de fabricar en vidrio, y la mayoría de los plásticos ópticos moldeables son degradables por UV. El problema de contaminación de la superficie se puede solucionar colocando el lado ranurado en el interior, hacia el foco. Esta es la peor manera posible de usar una lente refractora de una sola superficie; la aberración de la lente es extremadamente grande, mientras que no es tan mala, con el lado ranurado hacia afuera.

Los bordes axiales de las ranuras dispersan mucha luz, lo que reduce en gran medida la eficiencia de transmisión. De todos modos, ya tiene una pérdida de reflexión Fresnel del 8-10% de las superficies, por lo que las lentes Fresnel son ineficientes en comparación con los espejos reflectores, e incluso con lentes moldeadas de plástico, los costos son altos. Números como una concentración de 500x no son posibles con Fresnels lineales (de un canal direccional), e incluso con lentes rotacionalmente simétricos, lograr 500x es difícil debido a la dispersión de los bordes no activos de las ranuras.

No se utilizan lentes de Fresnel, pero es posible que pronto se utilicen reflectores de Fresnel. Hay dos formas principales en las que se genera electricidad a partir de la luz solar:

1. Energía fotovoltaica: Estos (lo que comúnmente se conoce como "paneles solares") generalmente se usan sin óptica. La razón es que aceptarán la luz de casi cualquier dirección, y la energía generada es directamente proporcional tanto al área de superficie expuesta como a la intensidad de la luz. Se podría usar la óptica para enfocar la luz de un área más amplia en una cantidad más pequeña de material fotovoltaico, y se han realizado algunos intentos de usar conjuntos de lentes pequeños para hacer esto, pero en general no produciría más energía que simplemente cubrir el área más amplia. con material fotovoltaico. Si esto es más económico se reduce a la optimización de ingeniería (por ejemplo, tal vez permitiría usar una cantidad menor de un material fotovoltaico más costoso), pero hasta la fecha, la mayoría de los fotovoltaicos no usan óptica.

2. Concentración de energía solar (CSP): un fluido de transferencia de calor se calienta mediante la luz solar concentrada y este calor se utiliza para impulsar una turbina. En la actualidad hay una serie de enfoques para esto. El más frecuente es el uso de 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 Fresnel lineales serían más económicos, siendo más baratos de construir para la misma área de recepción (ver http://social.csptoday.com/technology/hovering-wings-linear-fresnel-technology ). El segundo enfoque es el método de "torre solar", en el que se utiliza una serie de reflectores para enfocar la luz solar desde un área amplia hacia una sola torre ( ejemplo). Normalmente, los espejos de seguimiento se utilizan para seguir al sol por el cielo. En algunos aspectos, se podría pensar que esta matriz de espejos es similar a un reflector Fresnel: la matriz, vista como un todo, es una estructura relativamente plana que imita el efecto óptico de una lente curva. Me parece recordar que se han realizado algunos estudios sobre cómo esculpir la arena del desierto en forma de un reflector Fresnel fijo y pintarlo de blanco, pero no puedo encontrar ningún enlace para esto, ¡y puede ser una idea que se desvaneció rápidamente!

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

La idea esencial aquí es que una lente de Fresnel es una 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 en su entrada (si está configurado para concentrar la luz enfocándola) y es intolerante a la aberración. La luz dispersada por las nubes tiene frentes de onda de alta aberración. No hay nada especial en "Frensel"; lo siguiente se aplica a todas las ópticas de imagen. Considere un fotón desenredado que viene directamente del Sol (vea mi nota al pie): su frente de onda es casi plano cuando llega al concentrador del Sol. Puede haber una pequeña cantidad de "centelleo", es decirel 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 ajustado: hasta el límite de Abbe si no hay aberración.

Por otro lado, la luz que nos llega después de la interacción con las nubes tiene un frente de onda que se retuerce salvajemente. La óptica de imágenes simplemente no lo concentrará, un hecho que se puede ver en la alta sensibilidad de la relación Strehl de una lente a la aberración. Piense en un láser dirigido a una pieza de vidrio toscamente molida: verá motas. La luz sigue siendo perfectamente "coherente" en el sentido de estar altamente correlacionada estadísticamente en diferentes puntos en el espacio y el tiempo, pero los frentes de onda están por todas partes y no pueden concentrarse mediante procesamiento de frente de onda, es decir , mediante imágenes ópticas.

Ahora, los rayos son simplemente una forma de describir lo normal a los frentes de onda de un campo de luz; de hecho, la capacidad de pensar en términos de rayos depende de la aproximación de Eikonal a la descripción fotónica de Maxwell a la que aludí anteriormente. Otra forma de pensar en todo esto es a través de la ley de conservación de étendue, o la segunda ley de la termodinámica aplicada a la luz. La radiación solar "directa" entrante se compone de rayos paralelos, perfectamente alineados. Su étendue, o entropía, es nula o muy cercana (busque la página de Wikipedia sobre étendue para su definición ). Dispersos desde las nubes, la entrada a un concentrador se compone de rayos distribuidos aleatoriamente en todas las direcciones: esta es una configuración de alto alcance. Esto pone un límite severo a la cantidad de luz que se puede concentrar: el concentrador simplemente no puededisminuir el étendue: el ancho del haz solo se puede reducir sin pérdidas aumentando la dispersión de los ángulos en el haz de rayos que describe la luz.

Entonces, en EnergyNumbers's Answer , un "rayo directo" debe entenderse como un miembro de un conjunto bien alineado y de baja extensión.

Y, para responder al problema de la luz de alta intensidad: construimos cosas como fotovoltaicos que funcionan con luz no concentrada. No hay problema de étendue para moverse por aquí: la energía fotovoltaica simplemente vive con étendue y no necesita ningún concentrador (por cierto, esto no está muy relacionado con la baja eficiencia de la energía fotovoltaica).

Nota al pie: solo planteo la descripción de "fotón" aquí, ya que ayuda a desmitificar por qué podemos tratar un láser o un haz incoherente altamente colimado, es decir , la luz directamente del Sol, exactamente de la misma manera en lo que respecta a la óptica de imágenes. 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 estamos tratando con un solo fotón?". Esencialmente, cuando miras la luz un fotón a la vez, un rayo láser y un rayo incoherente colimado son lo mismo: los fotones solitarios se propagan por las ecuaciones de Maxwell y, por lo tanto, su campo tiene frentes de onda e interferencia y todas las demás cosas que solemos asociar con la luz coherente. - en palabras de Paul Dirac, cada fotón interfiere solo consigo mismo - por lo que es como un pequeño haz coherente. Al menos, este pensamiento funciona para fotones no entrelazados.

Aunque no es común usar lentes Fresnel para la generación de electricidad, la planta de energía de 100 MW está a punto de completarse en el estado de Rajasthan, India, utilizando tecnología de lentes Fresnel lineales. Por lo tanto, decir que esta tecnología no es factible para el uso a gran escala no es correcto y puede llegar el momento si la generación de energía mencionada anteriormente se realiza sin problemas, la escena puede cambiar a favor de la tecnología de lentes Fresnel.

Por lo general, no se utilizan con las células fotovoltaicas, ya que concentran la luz solar y el calor a una temperatura tan alta que muchas de las células, a falta de una palabra mejor, se fríen.