¿Se podría utilizar la energía solar y sustituir al carbón en el siglo XIX?

Sí, podrían. "Solo" necesita un espejo grande para concentrar la luz solar en una caldera para producir el vapor. Las plantas de energía que utilizan este principio están en uso hoy en día: Instalación de energía solar de Ivanpah

El primer problema que tienes es con la economía. Quemar carbón es demasiado barato si lo tiene disponible, y es mucho más fácil obtener unos pocos megavatios de calor quemando carbón que obtener la misma cantidad de calor de los espejos. Simplemente porque necesita aproximadamente un metro cuadrado de espejo por cada kilovatio de luz solar que desee captar, y el espejo debe ajustarse continuamente al sol. Un solo hombre que echa carbón a un motor produce mucho, mucho más que un solo kilovatio de calor...

Puede compensar el problema de la economía haciendo que el carbón sea difícil de conseguir en su país.

Sin embargo, el segundo problema permanece: la eficiencia. Las primeras máquinas de vapor eran brutalmente ineficientes, convirtiendo solo el 1% o el 2% (¡la versión optimizada de Watt!) del calor en trabajo mecánico real. Entonces, si tienes un espejo gigante de 10x10 m ($100\ m^2$), solo obtiene 1 kW o 2 kW de potencia utilizable. Cualquier cosa que requiera más energía que eso rápidamente se vuelve inviable de alimentar con los muchos y enormes espejos que necesita, que requieren mano de obra para adaptarse al sol continuamente.

Por supuesto, puede compensar esto a) permitiendo turbinas de vapor cercanas a las modernas, yb) mecanismos de relojería sofisticados que ajustan automáticamente los espejos. Sin embargo, sigue siendo difícil llevar la energía de las centrales eléctricas a donde realmente se necesita.

Si tienen mucho espacio en el desierto, ¿tal vez podrían construir torres solares de deriva ascendente ? Es básicamente un área grande cubierta por un techo de invernadero y una chimenea alta en el medio. La producción de energía es proporcional al área por la altura de la chimenea.

Fueron inventados en 1896, por lo que utilizan solo la tecnología disponible en ese momento.

Egipto 1912

En realidad sucedió:

Shuman construyó la primera central solar térmica del mundo en Maadi, Egipto (1912-1913). La planta de Shuman utiliza cilindros parabólicos para impulsar un motor de 60-70 caballos de fuerza que bombea 6.000 galones de agua por minuto desde el río Nilo a los campos de algodón adyacentes. Su sistema incluía una serie de mejoras tecnológicas, incluidas placas de absorción con paneles dobles separados por un espacio de aire de una pulgada. Aunque el estallido de la Primera Guerra Mundial y el descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930 desalentaron el avance de la energía solar, la visión y el diseño básico de Shuman resucitaron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía solar térmica.

https://en.wikipedia.org/wiki/Frank_Shuman

Puede hacer funcionar un generador con un motor de aire caliente de ciclo abierto . Este es un motor térmico que obtiene energía de la expansión del aire cuando se calienta.

El principal problema es obtener aire de admisión frío. Puede usar un intercambiador de calor acoplado a tierra para eso. Concretamente un laberinto termal. El aire se extrae a través de un largo camino subterráneo y se enfría en el proceso, básicamente.

Calentar el aire es deprimentemente simple en un desierto. Solo tenga alguna estructura hecha de metal sobre el suelo donde el sol pueda brillar sobre él y pueda cambiar el calor con el aire local. Si tiene espejos, puede enfocar la luz del sol para temperaturas mucho más altas. Los hornos de cocción solares son una cosa, por lo que el espejo y el diseño no tendrían que ser tan buenos. Para un diseño más serio, puede usar una parabólica .

Para la viabilidad de todo esto, la mejor comparación es probablemente la conversión de energía térmica oceánica .

La muy buena noticia es que la concepción y las primeras pruebas están prácticamente en el marco de tiempo deseado, por lo que sería viable que alguien tuviera la idea de adaptarlo a un desierto. Los laberintos térmicos son una tecnología antigua y los motores térmicos se inventaron en gran medida durante el siglo XIX, por lo que todo funciona igual de bien.

La buena noticia es que OTEC ha sido probado y realmente funciona, por lo que la versión del desierto probablemente también lo haría. Cuán bien es un poco difícil de decir ya que los fluidos de trabajo y muchos otros detalles difieren. Las diferencias se equilibran, pero tendrías que hacer números reales para saber qué tan bien y eso requeriría un diseño real. Tal vez incluso un experimento físico real a una escala significativa.

La mala noticia es que OTEC nunca ha hecho un gran avance. En realidad, nunca logró competir con el carbón y el petróleo. Y la versión del desierto probablemente sería más problemática. Si bien esta propuesta básicamente usa todo el desierto para capturar la energía solar y así resuelve algunos de los problemas de densidad de otros tipos de energía solar, todavía no puede competir con el carbón en densidad y el laberinto térmico sería un trabajo más inicial que bombear agua de mar fría. como en OTEC. Así que el potencial económico sería limitado.

Dicho esto, en este marco de tiempo, la mano de obra barata podría ser más accesible que los combustibles importados. O el gobierno podría simplemente preocuparse por depender del carbón importado en caso de guerra. O de mantener la logística de transporte del combustible.

Y hay otros usos además de la electricidad donde esto podría funcionar mejor. Este sistema ya bombea aire frío y caliente, por lo que solo necesitaría algunas válvulas y termostatos para brindarle un sistema de aire acondicionado autoalimentado. En un desierto caliente que no es nada.

Del mismo modo, algo como el riego mediante el bombeo de agua subterránea sería más adecuado que la generación de electricidad. Un agricultor podría estar más contento con dedicar tiempo a construir un laberinto térmico que con gastar dinero en comprar carbón o petróleo y obras intermitentes y de baja densidad para el riego.

Así que la respuesta real estaría dividida. Aprovecha, si. Reemplace el carbón, no.

No. El carbón funciona como fuente de energía porque es energía solar, concentrada, en forma conveniente (rocas). La energía solar es simplemente demasiado dispersa para ser una fuente de energía para las primeras máquinas de vapor ineficientes.

Un francés llamado Augustan Mouchot hizo una demostración de las máquinas de vapor alimentadas por energía solar en 1866.

Augustin Mouchot enseñó matemáticas en la escuela secundaria entre 1852 y 1871, tiempo durante el cual se embarcó en una serie de experimentos sobre la conversión de la energía solar en trabajo útil. Sus diseños de prueba de concepto tuvieron tanto éxito que obtuvo el apoyo del gobierno francés para dedicarse a la investigación a tiempo completo. Su trabajo fue inspirado e informado por el de Horace-Bénédict de Saussure (quien había construido el primer horno solar exitoso en 1767) y Claude Pouillet (quien inventó el pirheliómetro en 1838).

Concentrador solar de Augustin Mouchot en la Exposición Universal de París, 1878. (fuente)

Mouchot trabajó en su dispositivo más ambicioso en las condiciones soleadas de la Argelia francesa y lo trajo para demostrarlo en la Exposición Universal de París de 1878. Allí ganó la Medalla de Oro, impresionando a los jueces con la producción de hielo a partir del poder del sol. .

Lamentablemente para el inventor, el carbón era y es mucho más barato, especialmente porque se puede quemar las 24 horas del día, los 7 días de la semana para obtener energía cuando la necesite.

Hay otra alternativa viable para el carbón que estuvo en uso durante el siglo XIX que ya ha confirmado que existe dentro de su pregunta; ríos

Muchas máquinas de este período funcionaban con ruedas hidráulicas. Si tienen ríos y un océano, no hay necesidad de reinventar la rueda creando algún tipo de elaborado sistema de energía solar. Esto cumpliría con la segunda parte de su pregunta; reemplazar el carbón de alguna otra manera.

Tu gente podría usar gas de madera.

https://en.wikipedia.org/wiki/Wood_gas

El gas de madera es un combustible de gas de síntesis que se puede utilizar como combustible para hornos, estufas y vehículos en lugar de gasolina, diésel u otros combustibles. Durante el proceso de producción, la biomasa u otros materiales que contienen carbono se gasifican dentro del entorno limitado en oxígeno de un generador de gas de madera para producir hidrógeno y monóxido de carbono. Estos gases pueden luego quemarse como combustible dentro de un ambiente rico en oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y calor.

Su gente estaría usando energía solar (según OP) porque producirían cultivos para usarlos como materia prima para el gasificador, tal vez alpiste o tamariscos o cualquier planta resistente que puedan cultivar en las duras tierras donde viven. O tal vez tengan desechos agrícolas de lo que sea que cultiven como alimento. O malas hierbas de río.

Los gasificadores de madera son en realidad bastante omnívoros: la madera es fina y también lo es la hierba, el caucho, el estiércol, los peces muertos o cualquier cosa que contenga carbono. Todo lo que se puede hacer con gas natural se puede hacer con gas de madera.

Ni siquiera voy a tratar de competir con la respuesta magníficamente investigada de Chuck Ramírez, pero nadie ha mencionado aún el motor Stirling , que data de principios del siglo XIX y era mucho más eficiente que las turbinas de vapor primitivas. También es una combinación perfecta para la energía solar concentrada: solo utilícela para calentar el "extremo caliente".

Quedarían por resolver los problemas con el seguimiento del sol usando un mecanismo de relojería y cámaras mencionados en otras respuestas.

Había una empresa que intentaba desarrollar motores Stirling montados en el foco de platos parabólicos para la generación directa de energía (IIRC en la década de 1990). Hubo problemas para lograr que la lubricación con aceite del motor funcionara en todas las orientaciones posibles, y luego todo el concepto fue superado por los paneles solares de estado sólido. Aunque aún podría ser más eficiente, área por área. Los motores Sterling pueden tener una eficiencia de más del 40 %, un espejo mejor que el 90 %.

Ya tienes algunas buenas ideas de cosas que podrían haber usado. Óptica con lente grande o espejo para hervir agua y conectar la máquina de vapor al generador eléctrico, por ejemplo.

Energía solar moderna En términos de energía fotovoltaica (paneles fotovoltaicos como los que tenemos en las casas, autocaravanas, etc.), probablemente no hubiera sido posible, ya que el efecto fotoeléctrico se entendió a principios del siglo XX. De hecho, en el mismo artículo famoso que le dio a Einstein el premio Nobel.