ES2898671T3 - Sistema de calefacción a gas accionado por energía solar de temperatura ultra alta - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) para utilizar luz focalizada para calentar un fluido hasta temperaturas ultra altas, el sistema comprendiendo: un concentrador de luz posicionado, de manera selectiva, para dirigir luz concentrada (103) a uno o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106), en donde los elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) son naturalmente blancos o están ligeramente coloreados y se han dopado para incluir otros átomos que proveen absorción de la luz, en donde cada uno del único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) puede absorber dicha luz concentrada con el fin de alcanzar una temperatura que descompone térmicamente el agua.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de calefacción a gas accionado por energía solar de temperatura ultra alta

REIVINDICACIÓN DE PRIORIDAD

La presente solicitud reivindica prioridad con respecto a la Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 14/673,210, presentada el 30 de marzo de 2015.

CAMPO TÉCNICO

La presente implementación se refiere a un sistema y a un método para utilizar luz focalizada para calentar un fluido hasta temperaturas ultra altas.

ANTECEDENTES

Las preocupaciones geopolíticas actuales, preocupaciones por el calentamiento global, y la subida de precios del petróleo alimentan la necesidad de fuentes de energía renovable como, por ejemplo, energía eólica y solar. Actualmente, la mayoría de la electricidad generada en los Estados Unidos se produce quemando combustibles fósiles como, por ejemplo, carbón, gas natural y petróleo, energía nuclear y energía hidroeléctrica. La energía producida a partir de fuentes de energía alternativas como, por ejemplo, energía eólica y solar, representa un pequeño porcentaje de la electricidad total producida en los Estados Unidos. Nuestra dependencia de combustibles fósiles y energía nuclear tiene varias desventajas. Aunque los combustibles fósiles son comparativamente económicos, solo existe un suministro limitado de combustibles fósiles, el cual finalmente se agotará si no se encuentran fuentes de energía alternativas. Además, la quema de combustibles fósiles para producir electricidad emite gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global. La energía nuclear presenta peligros de proliferación ambiental y nuclear.

La energía solar y la energía eólica son fuentes de energía alternativas prometedoras que pueden reducir la dependencia de los combustibles fósiles para generar electricidad. La energía solar y la energía eólica son recursos renovables de modo que no hay preocupación alguna sobre el futuro agotamiento de dichos recursos. Además, la generación de electricidad a partir de energía solar y energía eólica no emite gases de efecto invernadero y, por lo tanto, se considera más amigable con el medio ambiente. Asimismo, la generación de electricidad a partir de fuentes de energía renovable no genera productos derivados peligrosos que necesitan desecharse.

En el campo de la utilización de la energía solar, se ha llevado a cabo mucho trabajo para desarrollar un sistema que sea suficientemente económico para reemplazar la combustión de combustibles fósiles para satisfacer las necesidades crecientes de nuestro planeta altamente más poblado que nunca en una manera limpia y renovable. Sistemas solares fotovoltaicos han recibido la mayor atención con el transcurrir de los años y aún sufren un coste de equipo muy alto. Incluso con subsidios del gobierno, los períodos de recuperación del capital invertido de 25 años son comunes. Además, dado que la electricidad es costosa de almacenar, el uso de fuentes de energía periódicas como, por ejemplo, viento y energía solar, para producir energía eléctrica es problemático.

Un mejor enfoque será utilizar energía solar para producir un combustible, el cual pueda almacenarse y transportarse de manera fácil y económica. El presente hecho ha llevado a una gran investigación con respecto a las maneras de utilizar luz solar para producir combustibles a partir de materia prima de baja energía, más notablemente, para producir hidrógeno a partir de agua. Ello surge ampliamente del hecho conocido de que el hidrógeno, cuando se usa como un combustible, produce solo agua, lo cual verdaderamente hace que el hidrógeno sea un candidato de "combustible limpio". A pesar del gran trabajo sobre este tema, aún no hay un proceso económico en práctica.

La electricidad para electrolizar agua puede provenir de recursos renovables como, por ejemplo, energía solar o viento, pero se requieren ~60kWhr para producir 1 kg de hidrógeno a partir de agua electrolíticamente. La presente limitación hace que el presente proceso sea demasiado costoso para competir en el mercado energético con combustibles fósiles.

La descomposición térmica directa del agua se ha propuesto como una manera posible de evitar las ineficiencias y el coste de la etapa de conversión de fotón a electrón que limita el enfoque del sistema de electrólisis solar descrito más arriba. La siguiente fórmula ilustra la descomposición:

2 H2O Calor ^ 2 H2 O2 (1)

Para generar la descomposición térmica del agua, se requiere que temperaturas ultra altas produzcan cantidades apreciables de productos de reacción, a saber, hidrógeno y oxígeno. Por ejemplo, en equilibrio, 2% de agua se descompone a una temperatura de 1800°C y a una presión de 760 Torr. La absorción directa de luz solar por vapor de agua, o cualquier gas para el caso, no es práctica debido a la distribución de longitud de onda muy amplia en luz solar, así como a la sección transversal de absorción muy pequeña para la mayoría de los gases en la mayoría de las longitudes de onda.

Los documentos US 8,709,132 B1 y US 4,696,809 describen un sistema y un método para separar hidrógeno de agua disociada.

COMPENDIO

Un material intermedio puede absorber sustancialmente luz solar concentrada y también transferir sustancialmente el calor generado al fluido. Sin embargo, las altas temperaturas que se necesitan para disociar agua imponen requisitos muy estrictos a dichos materiales intermedios de absorción de luz y transferencia de calor, dado que pueden soportar temperaturas muy altas y pueden hacerlo incluso cuando se exponen a gases muy reactivos. El choque térmico, que resulta en degradación mecánica, como, por ejemplo, la formación de grietas, puede provocarse por, por ejemplo, gradientes térmicos muy grandes. Las discrepancias en los coeficientes de expansión térmica entre diferentes materiales de construcción pueden también provocar grietas y fallo mecánico.

En efecto, los desafíos asociados al diseño de un sistema de absorción de luz y transferencia de calor que esté compuesto de un material que pueda (1) absorber luz solar altamente concentrada para lograr temperaturas ultra altas que soporten, por ejemplo, la descomposición del vapor de agua y (2) transferir dicho calor a, por ejemplo, vapor de agua, son serios. De manera específica, el material de absorción de luz y transferencia de calor puede ser sustancialmente oscuro con el fin de absorber la luz ampliamente visible que conforma la luz solar. Y puede ser estable a las temperaturas extremadamente altas requeridas para descomponer agua tanto con respecto a las tensiones mecánicas inherentes, así como al entorno químico. De manera específica, para que el material de absorción de luz y transferencia de calor eleve la temperatura de vapor de agua a, digamos, 1800°C, el propio material de absorción de luz y transferencia de calor puede soportar temperaturas superiores a 2000°C sin fundirse, agrietarse, vaporizarse o reaccionar sustancialmente y este es un requisito muy estricto. En algunas implementaciones, el material de absorción de luz y transferencia de calor permanecerá absorbente (oscuro) durante un período. En otras palabras, el material de absorción de luz y transferencia de calor puede no blanquearse de manera apreciable o de otra manera perder color.

Dado que la absorción de la luz es un proceso no lineal, un material uniformemente absorbente tenderá a calentarse en una manera no uniforme. Es decir, un material o elemento uniformemente absorbente absorberá más luz en el lado donde la luz es incidente y en el extremo posterior tenderá a absorber menos luz y, por lo tanto, experimentará menos calentamiento. El calentamiento no uniforme puede llevar a grandes gradientes térmicos que pueden entonces llevar a la degradación mecánica (grietas y fisuras), así como a perfiles de transferencia de calor no óptimos. Dicho efecto de calentamiento no uniforme puede mitigarse haciendo que la parte superior del elemento sea de alguna manera menos absorbente que la parte inferior del elemento. Ello puede llevarse a cabo en una manera híbrida donde un elemento menos absorbente se apila por encima de un elemento absorbente más oscuro o puede llevarse a cabo en una manera monolítica mediante el uso de material que se haya producido con un gradiente de absorción apropiado.

En general, cuando se considera el caso del calentamiento de vapor de agua, el presente entorno térmico y químico extremo excluye todo excepto materiales cerámicos de óxido sólido muy estables. Lamentablemente, muchos de los óxidos de fusión más alta, incluidos zirconia, óxido de hafnio e itria, por ejemplo, no son naturalmente de color oscuro. De hecho, la mayoría son blancos en forma policristalina e incoloros en forma cristalina y, por lo tanto, no absorberán la mayor parte de la radiación solar. La coloración de materiales cerámicos policristalinos de otra manera coloreados por luz como, por ejemplo, zirconia, se logra, en general, mediante adición de un polvo coloreado a la mezcla de pasta cerámica antes de formar y sinterizar la parte policristalina final. Por ejemplo, óxidos de hierro, cobalto y/o manganeso se añaden comúnmente a la pasta de zirconia para fabricar elementos de zirconia policristalinos negros como, por ejemplo, cuchillos y cuerpos de reloj. Ello funciona para la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, para aplicaciones de temperatura extremadamente alta como, por ejemplo, un material de absorción de luz y transferencia de calor para la descomposición térmica de vapor de agua, los pigmentos, que, en general, son óxidos de presión de vapor más alta y de fusión más baja, de esta manera aplicados, no son suficientemente estables y, con el calentamiento, abandonarán el material policristalino sustancialmente a lo largo de los muchos límites de grano. Y tan pronto como la superficie comience a blanquearse o iluminarse en color, también comienza a reflejar más y más luz y su capacidad de absorber luz se reduce ampliamente.

Cuando se requieren temperaturas más moderadas, digamos, 1000°C o menos, hay muchas opciones, incluidas las cerámicas policristalinas estándares en las que se han mezclado agentes de ennegrecimiento. Pero a dichas temperaturas moderadas, procesos como la descomposición térmica directa del agua producen hidrógeno y oxígeno a presiones parciales minúsculas de modo que las separaciones son extremadamente difíciles y el proceso general se convierte en excesivamente ineficiente y comercialmente inviable.

Según la invención, el material de absorción de luz y transferencia de calor puede ser un material de óxido cerámico monocristalino con un punto de fusión muy alto como, por ejemplo, zirconia cúbica, que se ha dopado durante el crecimiento del cristal con iones de metal para proveer al cristal de un color que pueda ayudar con la absorción de la luz. El uso de un material cerámico monocristalino para el material de absorción de luz y transferencia de calor, antes que un material cerámico policristalino más convencional, ayuda a retener su color eliminando o de otra manera reduciendo límites de grano dado que la difusión de los átomos a través de una red cristalina es, en general, mucho más lenta que la difusión a lo largo de los límites de grano de materiales policristalinos. Incluso entonces, la estabilidad del color de un ion de pigmento dado también depende de su movilidad natural dentro de la red cristalina. Por ejemplo, óxidos de cerio se usan, de manera rutinaria, para dopar zirconia cúbica para producir cristales naranjas. Sin embargo, tras calentarse hasta 1700°C, la zirconia cúbica dopada con óxido de cerio rápidamente pierde sustancialmente todo su color. Por otro lado, cuando se usa óxido de cobalto como un pigmento en zirconia cúbica para lograr un color púrpura, incluso después de muchas horas a más de 1700°C, la coloración de dicho cristal permanece sustancialmente igual.

Además, el tamaño de cada pieza o elemento individual de material de absorción de luz y transferencia de calor puede ser significativamente más pequeño en las direcciones que son perpendiculares a la dirección del haz de luz que el ancho del haz de luz focalizada entrante. De esta manera, es mucho menos probable que el haz afecte solo una pequeña porción de cualquier elemento de absorción de luz y transferencia de calor y ello reducirá la rotura inducida por choque térmico del material de absorción de luz y transferencia de calor. Por ejemplo, una óptica solar concentrada útil en la pirólisis del agua puede concentrar luz solar 5000 veces. Para una óptica de 48" de diámetro, puede crearse un tamaño de punto con un diámetro de alrededor de 23 mm. En el presente caso, al mantener cada pieza individual de material de calentador a o por debajo de 3 mm de longitud y ancho (o diámetro para esferas o cilindros), la probabilidad de que un elemento individual de absorción de luz y transferencia de calor solo se ilumine parcialmente y, por lo tanto, experimente gradientes térmicos sustanciales puede reducirse. En algunas implementaciones, la superficie de cada elemento individual de absorción de luz y transferencia de calor puede pulirse liso tanto para permitir que la luz entre en el cristal para la absorción como también para reducir la probabilidad de grietas. En algunas implementaciones, los elementos individuales de absorción de luz y transferencia de calor pueden mantenerse en un bolsillo hecho de un material que sustancialmente fija el material de absorción de luz y transferencia de calor en el espacio mientras puede soportar las tensiones térmicas asociadas. Además, el soporte puede dirigir el vapor supercaliente hacia un sistema de separación de gas corriente abajo sin enfriamiento sustancial. En dichas instancias, el oxígeno puede retirarse de la corriente de vapor de agua parcialmente descompuesta a una temperatura que es cercana a aquella a la cual ha tenido lugar la descomposición del agua.

Otros materiales cerámicos sustancialmente monocristalinos pueden utilizarse sin apartarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, el óxido de hafnio, itria y alúmina son solo algunos ejemplos de materiales con puntos de fusión muy altos que pueden producirse en una forma sustancialmente monocristalina y que pueden doparse para estar provistos de propiedades de absorción de luz específicas y utilizarse como materiales de absorción de luz y transferencia de calor.

Otros vapores y otras reacciones como la descomposición térmica del dióxido de carbono, que se muestra más abajo, por ejemplo, pueden dirigirse en una manera análoga.

2 CO2 calor m 2CO O2 (2)

Algunas implementaciones pueden incluir una o más de las siguientes ventajas. El uso de elementos de absorción de luz y transferencia de calor de óxido de cerámica monocristalino pueden mantener un color deseado durante un largo período. Por el contrario, los elementos de calentador que absorben la luz de cerámica policristalina pueden blanquearse a temperaturas ultra altas debido a la facilidad con la que los pigmentos pueden escapar a lo largo de los límites de grano. El uso de elementos de absorción de luz y transferencia de calor de óxido de cerámica monocristalino que absorben luz solar de manera naturalmente sustancial y que se han dopado con o de otra manera incluyen iones de metal para proveer color al cristal de manera tal para mejorar la absorción general de la luz solar. El uso de múltiples elementos de calentador que absorben la luz que son, cada uno, pequeños en relación con el ancho del haz focalizado, la minimización o de otra manera la reducción de la probabilidad de grandes gradientes de temperatura en cualquier elemento y además la minimización o reducción de la probabilidad de grietas y/o fisuras de elementos. Diferentes formas y tamaños de elementos de absorción de luz y transferencia de calor sustancialmente monocristalinos pueden usarse para maximizar o aumentar tanto la fracción de luz absorbida, así como la fracción de calor transferible al fluido dado que los procesos de transferencia de calor tienden a ser dependientes del área de superficie. Un soporte que contiene los elementos de absorción de luz y transferencia de calor de óxido de cerámica monocristalino puede ser poroso para minimizar o reducir la conducción de calor lejos de los elementos de calentamiento. En algunas instancias, el gas supercaliente puede fluir a través de dichos poros. En algunas implementaciones, un soporte poroso que incluye canales formados, además de porosidad natural, puede además dirigir gas supercaliente de la región de calentador corriente abajo a la región de separación del sistema.

Los detalles de una o más implementaciones de la invención se establecen en los dibujos anexos y en la descripción de más abajo. Otras características, objetos y ventajas de la implementación serán aparentes a partir de la descripción y de los dibujos, y a partir de las reivindicaciones.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema accionado por energía solar de temperatura ultra alta a modo de ejemplo según algunas implementaciones de la presente descripción, y

la Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un método a modo de ejemplo para la producción de fluido de temperatura ultra alta accionado por energía solar.

Los símbolos de referencia iguales en los varios dibujos indican elementos iguales.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra sistemas 100 para uno o más elementos monocristalinos para absorber luz concentrada. Por ejemplo, el sistema 100 puede incluir cristales que son naturalmente oscuros o que se dopan artificialmente con iones de metal que absorben luz suficientemente para alcanzar temperaturas ultra altas. Dichas temperaturas ultra altas pueden usarse para disociar agua u otros fluidos. Por ejemplo, los sistemas 100 pueden dirigir rayos del sol 101 a un reflector 102 (p. ej., reflector parabólico) que produce rayos de luz focalizada 103. Los rayos de luz focalizada 103 pueden dirigirse a través de una ventana 104, hacia una cámara de calentamiento 105, y a elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106. Según se ilustra, un soporte 107 puede contener los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106.

En algunas implementaciones, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 se configuran para absorber al menos una porción de los rayos de luz focalizada 103 y para estar en comunicación térmica con una corriente de vapor de agua 108. Una vez que los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 se hayan calentado suficientemente, dicho calor puede transferirse y, de esta manera, disociar al menos una porción del vapor de agua 108 en hidrógeno y oxígeno. En otras palabras, la energía térmica puede separar o de otra manera disociar moléculas de agua y puede generarse, en algunas implementaciones, mediante concentración de luz solar en los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106. Por ejemplo, el sistema 100 puede concentrar luz solar en el rango de alrededor de 2.000-10.000 soles (p. ej., 5.000) en un material monocristalino que absorbe, al menos parcialmente, luz solar concentrada. Por ejemplo, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor pueden tener una absorbancia (A) total para la radiación solar de entre 0,1 y 2,0 (p. ej., 0,7), donde la absorbancia se define por:

A=2-logioTX%

y donde TX% es el porcentaje de luz incidente que se transmite a través del material.

La temperatura definitiva a la cual los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 calientan el vapor de agua se alcanza cuando la suma de los mecanismos de pérdida de calor (convección, conducción y radiación) es igual a la energía de entrada y esta depende del diseño del sistema. Pero, en general, cuando la conducción térmica se minimiza por el uso apropiado de aislantes térmicos, entonces la radiación, que es proporcional a la 4a energía de la temperatura, puede no competir de manera efectiva con la convección, que es el mecanismo de transferencia de calor por el cual se caliente el vapor de agua, hasta alcanzar temperaturas ultra altas (a saber, de entre 1500°C y 2000°C o más altas (p. ej., 1800°C).

En algunas implementaciones, el sistema 100 puede incluir múltiples concentradores (no se muestran) como, por ejemplo, una matriz de espejos o lentes para generar energía solar para calentar, de manera suficiente, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106. Mediante ello, el sistema 100 puede convertir al menos una porción de energía solar incidente en energía térmica suficiente para dirigir un proceso como, por ejemplo, la disociación de agua. Por ejemplo, el sistema 100 puede concentrar energía solar en los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 configurados tanto para absorber al menos una porción de la luz incidente (p. ej., visible, ultravioleta) como para generar suficiente energía térmica (p. ej., alcanzando alrededor de 1.800 °C) para disociar agua. La corriente de vapor de agua supercaliente 108, que, en el presente ejemplo, también contiene hidrógeno y oxígeno, puede, tras abandonar el soporte 107, entrar en una cámara de separación de oxígeno 109 que contiene una o más membranas de separación de oxígeno 110. Según se ilustra, las membranas de separación de oxígeno 110 son tubulares y se mantienen, normalmente, de manera mecánica y hermética en el lugar por sellos en un reborde de membrana de oxígeno 111. Enel presente caso, el oxígeno puede retirarse de la corriente de vapor de agua supercaliente 108 por las membranas de oxígeno 110 y, de esta manera, dejar una corriente de vapor de agua que es sustancialmente rica en hidrógeno. Es decir, una donde haya una cantidad de hidrógeno mayor que estequiométrica con respecto al oxígeno o donde la relación hidrógeno-oxígeno sea mayor que 2:1 El oxígeno separado puede entonces retirarse del interior de las membranas de oxígeno 110 en una corriente separada 112, por ejemplo, por una bomba de vacío (no se muestra). Siguiendo con el presente ejemplo, la corriente rica en hidrógeno 113 puede entrar en la cámara de separación de hidrógeno 114 que contiene una o más membranas de separación de hidrógeno 115. En la implementación ilustrada, las membranas de separación de hidrógeno 115 pueden fijarse de manera mecánica y sellarse herméticamente en un reborde de membrana de hidrógeno 116. El hidrógeno puede retirarse de la corriente de vapor de agua rica en hidrógeno 113 por las membranas de hidrógeno 115. La presente etapa de separación de hidrógeno puede ocurrir a una temperatura diferente de aquella a la cual ha tenido lugar la separación del oxígeno. El hidrógeno separado puede entonces retirarse del interior de las membranas de hidrógeno 115 en una corriente separada 117, por ejemplo, por una bomba de vacío (no se muestra). La corriente de vapor de agua restante puede transmitirse otra vez a la cámara de calentador 105 por una bomba en línea 118 para comenzar el ciclo nuevamente. En algunas implementaciones, los sistemas 100 pueden ejecutar uno o más de lo siguiente: focalizar luz solar en un material de absorción de luz y transferencia de calor monocristalino; pasar un fluido a través de o por el material de absorción de luz y transferencia de calor caliente que se ha calentado de manera suficiente para disociar al menos parte del vapor de agua de modo que una porción sustancial de dicho calor se transfiere al fluido por procesos de convección, conducción y/o radiación; y reciclar el vapor de agua restante.

Con referencia a la Figura 1, el sistema 100 puede incluir una ventana transparente 104 que permite la luz solar focalizada 103 en uno o más elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 monocristalinos que pueden absorber luz solar naturalmente o que pueden haber crecido con la adición de un dopante para absorber luz sustancialmente. En algunas instancias, el dopaje puede llevarse a cabo con posterioridad al crecimiento de cristales mediante el uso de implantación de iones y recocido, por ejemplo. Los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden calentarse mediante absorción de luz focalizada mientras se sientan en un soporte 107 a través del cual o por el cual fluye el vapor de agua. La corriente de vapor caliente 108 que emerge de los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 y del soporte 107 puede haberse calentado hasta temperaturas suficientes para disociar al menos parte del agua. En dichas instancias, la corriente de vapor de agua caliente 108 también contiene hidrógeno y oxígeno.

Con respecto a una descripción más detallada, los elementos de cerámica monocristalinos 106 pueden incluir materiales sustancialmente monocristalinos que tienen puntos de fusión altos como, por ejemplo, zirconia y óxido de hafnio, los cuales se funden a 2700°C y 2900°C, respectivamente. Además, los materiales pueden ser resistentes a la oxidación dado que temperaturas muy altas se generan para la disociación y el oxígeno supercaliente es muy reactivo. Además, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden incluir dopantes que proveen color configurado para absorber luz solar y son eficientes en la conversión de dicha luz en calor. Según la invención, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden incluir una cerámica basada en óxido naturalmente blanco o ligeramente coloreado (p. ej., zirconia, alúmina, magnesia y/u óxido de hafnio) que se ha dopado para incluir otros átomos (p. ej., iones de metal que proveen absorción de luz (color) y no abandonan sustancialmente la red cristalina a temperaturas ultra altas). Además de no reaccionar con el hidrógeno, el oxígeno y el agua a temperaturas altas y de tener un punto de fusión muy alto, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden también tener baja conductividad térmica (p. ej., de alrededor de 2 vatios/metro/°K o menos) para minimizar o de otra manera reducir la pérdida de calor del sistema de una zona de reacción y/o para simplificar el diseño del sistema. La disociación de la molécula de agua se logra sustancialmente por la descomposición térmica directa a temperaturas altas según se ilustra en la Ecuación 1.

En algunas implementaciones, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden ser en la forma de múltiples esferas, cubos, cilindros, otras formas, o una combinación de ellos. Según se ha descrito previamente, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden generar suficiente calor para disociar vapor de agua mediante el uso de la energía solar incidente u otras formas de luz altamente concentradas como, por ejemplo, un haz de láser. Los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden ser más pequeños que el tamaño del haz incidente, a saber, el diámetro del haz donde se encuentra con los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106, para evitar o de otra manera reducir la creación de grandes gradientes térmicos dentro de elementos individuales de absorción de luz y transferencia de calor. Los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden tener forma para optimizarse para la transferencia de calor por convección al fluido y/o perfil térmico y absorción de luz general. El soporte 107 puede ser un cuerpo de cerámica presionado, moldeado o de otra manera formado. Puede sinterizarse antes o después de formarse. En algunas instancias, el soporte 107 puede haberse mecanizado, moldeado o de otra manera formado para poder posicionar los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 de manera apropiada en relación con el haz de luz focalizada. En algunas implementaciones, al menos porciones del soporte 107 pueden ser resistentes al choque térmico. El soporte 107 puede ser poroso y/o puede tener agujeros o canales formados en él para además ayudar en el transporte de gas supercaliente a la siguiente área de proceso. El soporte 107 puede formarse con, por ejemplo, panel de fibra de cerámica, tejido cerámico, polvos cerámicos presionados o combinaciones de ellos. Grandes gradientes térmicos dentro del soporte 107 pueden ser inevitables y para evitar problemas con el choque térmico, una disposición de fibra unida más holgadamente como, por ejemplo, panel de fibra presionado, por ejemplo, puede reducir la probabilidad de grietas inducidas por choque térmico.

En algunas implementaciones, los elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden ser zirconia sustancialmente monocristalina que se ha estabilizado en la forma cúbica añadiendo 8% mol o más de óxido de itrio o 15% mol o más de dióxido de calcio a lo fundido con anterioridad al crecimiento de cristales y que se ha dopado además con, por ejemplo, aproximadamente 0,5% de cobalto para proveer un color púrpura. Otras cerámicas sustancialmente monocristalinas que son de manera natural suficientemente absorbentes de luz solar o que se han dopado para ser suficientemente absorbentes de luz solar pueden también ser elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106. En algunas instancias, dichos otros cristales pueden poseer la estabilidad térmica, mecánica y química prescrita para funcionar sustancialmente en elementos de absorción de luz y transferencia de calor de temperaturas ultra altas.

La Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un método 200 a modo de ejemplo para utilizar luz focalizada para supercalentar una corriente de fluido como una parte de un proceso general que contiene al menos 1 etapa de temperatura ultra alta según algunas implementaciones de la presente descripción. El método ilustrado se describe con respecto al sistema 100 de la Figura 1, pero el presente método puede usarse por cualquier otro sistema adecuado. Además, el sistema 100 puede usar cualquier otra técnica adecuada para fabricar el sistema 100. Por consiguiente, muchas de las etapas en el presente diagrama de flujo pueden tener lugar de forma simultánea y/o en órdenes diferentes de los que se muestran. El sistema 100 puede también usar métodos con etapas adicionales, menos etapas y/o etapas diferentes, siempre que los métodos sean apropiados.

En un nivel alto, el método 200 incluye los siguientes procesos: (1) crecer materiales de cerámica refractarios que son monocristalinos y que absorben luz solar y, a partir de dicho monocristal, cortar y pulir piezas individuales para formar elementos individuales de absorción de luz y transferencia de calor; (2) formar un soporte para contener dichos elementos de absorción de luz y transferencia de calor; y (3) dirigir luz focalizada a dichos elementos de absorción de luz y transferencia de calor y transferir el calor resultante de los elementos de absorción de luz y transferencia de calor a una corriente de vapor de agua que fluye a través de y más allá de dichos elementos de absorción de luz y transferencia de calor de modo que la transferencia de calor ocurrirá y la corriente de vapor de agua se calentará hasta temperaturas ultra altas.

El método 200 comienza en la etapa 201 donde zirconia cúbica monocristalina crece por uno de cualquier número de métodos que incluyen el método de autocrisol. En la etapa 201, un dopante se añade a la mezcla fundida para asegurar buenas propiedades de absorción de la luz. En la etapa 202, el monocristalino se aserra y de otra manera se procesa para proveer elementos de absorción de luz y transferencia de calor de una forma predefinida y con al menos una superficie pulida para que la luz entre sustancialmente en el cristal. Por ejemplo, la zirconia cúbica "áspera" puede cortarse en obleas de 2 mm de grosor y luego trocearse en cubos de 2 mm y luego uno o más de cada una de las 6 superficies de cubos pueden pulirse mecánicamente mediante el uso de grano de diamante de tamaño de partícula decreciente hasta que cada superficie sea sustancial y ópticamente suave. En la etapa 203, se forma un bolsillo en una pieza de panel de fibra de cerámica porosa, y, en la etapa 204, se perforan agujeros a través de la parte inferior del panel de fibra. Por ejemplo, el panel de fibra puede ser un disco que es de 50 mm de diámetro y 8 mm de grosor, y el bolsillo, formado por una técnica de mecanizado estándar como el fresado, puede ser de 20 mm de diámetro y 4 mm de profundidad. Los agujeros perforados en la parte inferior del bolsillo pueden ser de 0,7 mm de diámetro y pueden formar un patrón cuadrado con un espaciado de centro a centro de 1,5 mm. En la etapa 205, una sola capa de 100 elementos de absorción de luz y transferencia de calor 106, que pueden ser cubos de 2 mm x 2 mm x 2 mm, puede colocarse en el bolsillo. En la etapa 206, la luz se recoge y focaliza por un concentrador solar. Por ejemplo, el concentrador solar puede ser un plato parabólico que es, por ejemplo, de 48 pulgadas de diámetro y focaliza la luz hacia abajo a un círculo con alrededor de 23 mm de diámetro. En la etapa 207, la luz focalizada se dirige a los elementos de absorción de luz y transferencia de calor que están sentados en su soporte de modo que la temperatura de los elementos objetivo se eleva hasta sustancialmente por encima de 1800°C. En la etapa 208, una corriente de vapor de agua pasa a través de la matriz de elementos de cerámica sustancialmente monocristalinos de absorción de luz y transferencia de calor y, en la etapa 209, la corriente de vapor de agua, a su vez, se calienta hasta aproximadamente 1800°C por una combinación de convección, conducción y también por absorción directa de luz rerradiada. En la etapa 201, la corriente de vapor de agua supercaliente abandona el soporte a través de poros y/o canales formados en este y, de esta manera, se dirige a la siguiente etapa de procesamiento a temperaturas ultra altas.

Muchas estrategias pueden optimizar o de otra manera mejorar la transferencia de calor de los elementos sustancialmente de absorción de luz y transferencia de calor al fluido. Por ejemplo, los elementos de cerámica monocristalinos de absorción de luz y transferencia de calor 106 pueden comprender múltiples elementos con altas relaciones área de superficie-volumen para maximizar la transferencia de calor por convección. Además, múltiples tamaños y formas diferentes pueden usarse para optimizar más la transferencia del calor o la absorción de la luz. Además de la zirconia, algunos ejemplos de otros materiales potencialmente útiles incluyen óxido de hafnio, alúmina, itria y óxido de cerio, y mezclas de ellos.

La descomposición térmica del agua es solo un ejemplo de un proceso que puede facilitarse por la presente invención. En esencia, puede aplicarse cualquier proceso de alta temperatura accionado por energía solar. Otros ejemplos de procesos fuera del alcance de la presente invención, pero que pueden beneficiarse de la presente invención, incluyen la gasificación de biomasa accionada por energía solar directa y la pirólisis de dióxido de carbono. En esencia, cualquier proceso accionado por energía solar que requiera temperaturas de fluido ultra altas puede utilizar la presente invención. De hecho, la presente invención puede aplicarse a cualquier conversión de luz en energía térmica para calentar cualquier medio hasta temperaturas ultra altas como una parte de cualquier proceso.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) para utilizar luz focalizada para calentar un fluido hasta temperaturas ultra altas, el sistema comprendiendo:

un concentrador de luz posicionado, de manera selectiva, para dirigir luz concentrada (103) a uno o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106),

en donde los elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) son naturalmente blancos o están ligeramente coloreados y se han dopado para incluir otros átomos que proveen absorción de la luz,

en donde cada uno del único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) puede absorber dicha luz concentrada con el fin de alcanzar una temperatura que descompone térmicamente el agua.

2. El sistema (100) de la reivindicación 1, donde el concentrador focaliza luz solar o donde el concentrador es un haz de láser.

3. El sistema (100) de la reivindicación 1, donde límites de grano están ausentes de los elementos de óxido de cerámica monocristalinos.

4. El sistema (100) de la reivindicación 1 y 3, que además comprende un soporte (107) para el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos que define canales configurados para pasar fluido a las temperaturas ultra altas deseadas, en donde el soporte (107) comprende panel de fibra de cerámica porosa, tela de cerámica, polvo cerámico moldeado o combinaciones de ellos.

5. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) comprenden zirconia cúbica.

6. El sistema de la reivindicación 1, en donde el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) son, cada uno, más pequeños que un ancho del haz de luz concentrada cuando este alcanza el soporte (107).

7. El sistema de la reivindicación 1, en donde el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) comprenden zirconia cúbica monocristalina estabilizada dopada con dopantes que mejoran sus propiedades de absorción de la luz solar, en donde los dopantes comprenden al menos uno de cobalto, neodimio, vanadio, titanio, cobre, cerio, hierro, níquel, praseodimio, erbio, europio, holmio, cromo, manganeso o combinaciones de ellos.

8. El sistema de la reivindicación 7, en donde la zirconia cúbica estabilizada monocristalina ha crecido con un exceso de óxido de itrio para producir un cristal verde o azul.

9. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde la temperatura deseada que descompone térmicamente el agua es al menos de 1800°C, y el sistema funciona a una presión de al menos alrededor de 10 atmósferas.

10. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde los elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) son menos absorbentes en la parte superior, donde la luz entra en el cristal, y más absorbentes en la parte inferior.

11. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde los elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) se apilan de modo que en una o más pilas, el elemento superior, donde la luz entra en la pila, es menos absorbente que el elemento inferior, o

en donde los elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) se apilan como varillas, cubos, esferas, discos, barras o combinaciones de ellos.

12. Un método para usar luz focalizada para calentar un fluido hasta temperaturas ultra altas con un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, dicho método comprendiendo:

aplicar luz concentrada en uno o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106), cada uno del único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos pudiendo absorber dicha luz concentrada con el fin de alcanzar una temperatura que descompone térmicamente el agua.

13. El método de la reivindicación 12, donde la luz comprende un láser.

14. El método de la reivindicación 12, en donde el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos se encuentran en un soporte (107) que define canales configurados para pasar fluido a las temperaturas deseadas que descomponen térmicamente el agua.

15. El método de la reivindicación 12,

en donde el único o más elementos de óxido de cerámica monocristalinos (106) son, cada uno, más pequeños que un ancho del haz de luz concentrada cuando este alcanza el soporte (107).