Un colector de canal parabólico (PTC) es un tipo de colector solar térmico que es recto en una dimensión y curvado como una parábola en las otras dos, revestido con un espejo de metal pulido . La luz solar que entra en el espejo paralela a su plano de simetría se enfoca a lo largo de la línea focal , donde se colocan los objetos que se pretende calentar. En una cocina solar , por ejemplo, se colocan alimentos en la línea focal de un canal, que se cocina cuando el canal está orientado de modo que el Sol esté en su plano de simetría.
Para otros fines, un tubo que contiene un fluido recorre la longitud del canal en su línea focal. La luz solar se concentra en el tubo y el fluido se calienta a una temperatura alta por la energía de la luz solar. El fluido caliente se puede canalizar a un motor térmico (por ejemplo, ORC o ciclo Rankine de agua/vapor), que utiliza la energía térmica para impulsar maquinaria o para generar electricidad. Este colector de energía solar es el tipo más común y más conocido de canal parabólico.
Cuando se utiliza un fluido de transferencia de calor para calentar vapor para accionar un generador de turbina estándar, la eficiencia térmica varía del 50 al 80%. La eficiencia general del colector a la red, es decir (potencia eléctrica de salida)/(energía solar total incidente) es de alrededor del 15%, similar a las células fotovoltaicas pero menor que los concentradores de disco Stirling . Las plantas de energía solar térmica a gran escala necesitan un método para almacenar la energía, como un tanque de termoclina , que utiliza una mezcla de arena de sílice y roca de cuarcita para desplazar una parte significativa del volumen en el tanque. Luego se llena con el fluido de transferencia de calor, típicamente una sal de nitrato fundida .
A partir de 2014, los sistemas de energía solar térmica más grandes que utilizan tecnología de canal parabólico incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la central generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor de sal fundida , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la central solar española Solaben de 200 MW y la central solar Andasol 1. [1] [2]
El canal normalmente está alineado en un eje norte-sur y rotado para seguir al sol a medida que se mueve a través del cielo cada día. Alternativamente, el canal puede estar alineado en un eje este-oeste; esto reduce la eficiencia general del colector debido a que la luz solar llega a los colectores en un ángulo, pero solo requiere que el canal esté alineado con el cambio de estaciones , evitando la necesidad de motores de seguimiento. Este método de seguimiento se acerca a las eficiencias teóricas en los equinoccios de primavera y otoño con un enfoque menos preciso de la luz en otros momentos durante el año. El movimiento diario del sol a través del cielo también introduce errores, mayores al amanecer y al atardecer y menores al mediodía. Debido a estas fuentes de error, los canales parabólicos ajustados estacionalmente generalmente se diseñan con un producto de aceptación de concentración más bajo .
Los concentradores de canal parabólico tienen una geometría simple, pero su concentración es de aproximadamente 1/3 del máximo teórico para el mismo ángulo de aceptación , es decir, para las mismas tolerancias generales del sistema a todo tipo de errores, incluidos los mencionados anteriormente. El máximo teórico se logra mejor con concentradores más elaborados basados en diseños primarios-secundarios que utilizan ópticas sin formación de imágenes [3] [4] que pueden casi duplicar la concentración de los concentradores de canal parabólico convencionales [5] y se utilizan para mejorar diseños prácticos como los que tienen receptores fijos. [6]
El fluido de transferencia de calor (normalmente aceite térmico ) pasa por el tubo para absorber la luz solar concentrada. Esto aumenta la temperatura del fluido a unos 400 °C. [7] El fluido de transferencia de calor se utiliza luego para calentar vapor en un generador de turbina estándar. El proceso es económico y, para calentar la tubería, la eficiencia térmica varía del 60 al 80%. La eficiencia general del colector a la red, es decir (potencia eléctrica de salida)/(energía solar total incidente) es de aproximadamente el 15%, similar a la de los PV (células fotovoltaicas) pero menor que los concentradores de disco Stirling . [8]
Un canal parabólico está formado por una serie de módulos colectores solares ( SCM ) fijados entre sí para moverse como un solo conjunto colector solar ( SCA ). Un SCM puede tener una longitud de hasta 15 metros (49 pies 3 pulgadas) o más. Alrededor de una docena o más de SCM hacen que cada SCA tenga una longitud de hasta 200 metros (656 pies 2 pulgadas). Cada SCA es un canal parabólico que sigue un camino de forma independiente. [9]
Un SCM puede fabricarse como un espejo parabólico de una sola pieza o ensamblarse con una serie de espejos más pequeños en filas paralelas. Los espejos modulares más pequeños requieren máquinas más pequeñas para construir el espejo, lo que reduce el costo. El costo también se reduce en caso de que sea necesario reemplazar un espejo dañado. Dicho daño puede ocurrir debido al impacto de un objeto durante el mal tiempo.
Además, existen canales tipo V que están hechos de 2 espejos y colocados en ángulo uno respecto del otro. [10]
En 2009, los científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y SkyFuel se unieron para desarrollar grandes láminas curvas de metal que tienen el potencial de ser un 30% más baratas que los mejores colectores de energía solar concentrada de la actualidad , al reemplazar los modelos basados en vidrio por una lámina de polímero de plata que tiene el mismo rendimiento que los espejos de vidrio pesados, pero a un costo y peso mucho menores. También es mucho más fácil de mover e instalar. La película brillante utiliza varias capas de polímeros, con una capa interna de plata pura. [11]
Como esta fuente de energía renovable es inconsistente por naturaleza, se han estudiado métodos para el almacenamiento de energía, por ejemplo, la tecnología de almacenamiento de un solo tanque ( termoclina ) para plantas de energía solar térmica a gran escala. El método del tanque de termoclina utiliza una mezcla de arena de sílice y roca de cuarcita para desplazar una parte significativa del volumen en el tanque. Luego se llena con el fluido de transferencia de calor, típicamente una sal de nitrato fundida .
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero de cristal. El invernadero crea un entorno protegido para soportar los elementos que pueden aumentar la fiabilidad y la eficiencia del sistema solar térmico. [12]
Dentro del invernadero se encuentran suspendidos espejos curvos y livianos que reflejan la luz solar. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir al sol y enfocar su luz sobre una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del invernadero. [13] El vapor se genera directamente utilizando agua de calidad de yacimiento petrolífero, a medida que el agua fluye a lo largo de las tuberías, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.
El vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde se inyecta continuamente en las profundidades del yacimiento de petróleo. Al proteger los espejos del viento, pueden alcanzar temperaturas más altas y se evita que se acumule polvo como resultado de la exposición a la humedad. [12] GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño del canal cerrado, afirma que su tecnología puede producir calor para la recuperación mejorada de petróleo por unos 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con los 10 y 12 dólares que se obtienen con otras tecnologías solares térmicas convencionales. [14]
En la actualidad, se utilizan colectores parabólicos cerrados en las instalaciones solares de Miraah , en Omán . En noviembre de 2017, GlassPoint anunció una asociación con Aera Energy que llevaría colectores parabólicos al yacimiento petrolífero South Belridge , cerca de Bakersfield , California. [15]
En 1897, Frank Shuman , inventor, ingeniero y pionero de la energía solar de Estados Unidos, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar sobre cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua, y que estaban equipadas internamente con tuberías negras que a su vez alimentaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman formó la Sun Power Company con la intención de construir plantas de energía solar más grandes. Él, junto con su asesor técnico ASE Ackermann y el físico británico Sir Charles Vernon Boys , [ cita requerida ] desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar sobre las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calentamiento hasta el punto de que ahora se podía usar agua en lugar de éter. Luego, Shuman construyó una máquina de vapor a escala real impulsada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema de motor solar en 1912.
Shuman construyó la primera central termosolar del mundo en Maadi , Egipto, entre 1912 y 1913. La planta de Shuman utilizaba colectores parabólicos para alimentar un motor de 45-52 kilovatios (60-70 hp ) que bombeaba más de 22.000 litros de agua por minuto desde el río Nilo hasta los campos de algodón adyacentes. 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 termosolar. [16] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación abogando por la utilización de la energía solar, diciendo:
Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y, más particularmente, hemos demostrado que, una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana podrá recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
— Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [17]
Las plantas comerciales que utilizan colectores parabólicos pueden utilizar almacenamiento térmico durante la noche, mientras que algunas son híbridas y admiten gas natural como fuente de combustible secundaria. En los Estados Unidos, la cantidad de combustible fósil utilizada para que la planta sea calificada como una fuente de energía renovable está limitada a un máximo del 27% de la producción de electricidad. [ cita requerida ] Debido a que incluyen estaciones de enfriamiento, condensadores , acumuladores y otras cosas además de los colectores solares propiamente dichos, la energía generada por metro cuadrado de área varía enormemente. [ cita requerida ]
A partir de 2014, los sistemas de energía solar térmica más grandes que utilizan tecnología de canal parabólico incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la central generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor de sal fundida , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la central solar española Solaben de 200 MW y la central solar Andasol 1. [1] [2]