Un cilindro-parabólico es un tipo de colector solar térmico recto en una dimensión y curvo a modo de parábola en las otras dos, revestido con un espejo de metal pulido . La luz del sol que ingresa al espejo paralela a su plano de simetría se enfoca a lo largo de la línea focal , donde se ubican los objetos que se pretende calentar. En una cocina solar , por ejemplo, la comida se coloca en la línea focal de un comedero, que se cocina cuando el comedero está orientado de manera 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 alta temperatura gracias a la energía de la luz solar. El fluido caliente se puede canalizar a un motor térmico , que utiliza la energía térmica para impulsar maquinaria o generar electricidad. Este colector de energía solar es el tipo de colector cilindroparabólico más común y conocido.
Cuando se utiliza fluido de transferencia de calor para calentar vapor para impulsar un generador de turbina estándar, la eficiencia térmica oscila entre el 60% y el 80%. La eficiencia general desde el colector hasta la red, es decir (potencia de salida eléctrica)/(energía solar incidente total) es aproximadamente del 15%, similar a las células fotovoltaicas pero menor que la de los concentradores de disco Stirling . Las centrales solares térmicas de gran escala necesitan un método para almacenar la energía, como un tanque termoclino , que utiliza una mezcla de arena de sílice y roca de cuarcita para desplazar una parte significativa del volumen del tanque. Luego se llena con el fluido de transferencia de calor, generalmente una sal de nitrato fundida .
A partir de 2014, los sistemas de energía termosolar más grandes que utilizan tecnología cilindroparabólica incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la estación generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor de sales fundidas , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la española Solaben Solar Power de 200 MW. Estación, y la central solar Andasol 1 . [1] [2]
La depresión generalmente está alineada en un eje norte-sur y gira para seguir al sol a medida que se mueve por el cielo todos los días. Alternativamente, la cubeta se puede alinear en un eje este-oeste; Esto reduce la eficiencia general del colector debido a que la luz solar incide sobre los colectores en 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 eficiencias teóricas en los equinoccios de primavera y otoño con un enfoque de la luz menos preciso en otras épocas del 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 cilindros parabólicos ajustados estacionalmente generalmente se diseñan con un producto de aceptación de menor concentración .
Los concentradores cilindroparabólicos tienen una geometría simple, pero su concentración es 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 y secundarios que utilizan ópticas sin imágenes [3] [4] que pueden casi duplicar la concentración de los cilindros parabólicos convencionales [5] y se utilizan para mejorar diseños prácticos como aquellos con concentradores fijos. receptores. [6]
El fluido de transferencia de calor (generalmente aceite térmico ) pasa a través del tubo para absorber la luz solar concentrada. Esto aumenta la temperatura del fluido hasta unos 400 °C. [7] El fluido caloportador se utiliza luego para calentar vapor en un generador de turbina estándar. El proceso es económico y, para calentar la tubería, la eficiencia térmica oscila entre el 60% y el 80%. La eficiencia general desde el colector hasta la red, es decir (potencia de salida eléctrica)/(energía solar incidente total) es aproximadamente del 15%, similar a la fotovoltaica (células fotovoltaicas) pero menor que la de los concentradores de disco Stirling . [8]
Un cilindro-parabólico está formado por varios módulos de colectores solares ( SCM ) fijados entre sí para moverse como un conjunto de colectores solares ( SCA ). Un SCM podría tener una longitud de hasta 15 metros (49 pies 3 pulgadas) o más. Aproximadamente 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 cilindro-parabólico de seguimiento independiente. [9]
Un SCM puede fabricarse como un espejo parabólico de una sola pieza o ensamblarse con varios espejos más pequeños en filas paralelas. Los espejos modulares más pequeños requieren máquinas más pequeñas para construir el espejo, lo que reduce los costos. El coste también se reduce en caso de que sea necesario sustituir un espejo dañado. Dichos daños pueden ocurrir debido al impacto de un objeto durante el mal tiempo.
Además, existen canales en forma de V, que se componen de 2 espejos y se colocan en ángulo uno respecto del otro. [10]
En 2009, los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y SkyFuel se unieron para desarrollar grandes láminas curvas de metal que tienen el potencial de ser un 30% menos costosas que los mejores colectores de energía solar concentrada de la actualidad , reemplazando los modelos a base de vidrio por uno plateado. lámina de polímero que tiene el mismo rendimiento que los espejos de vidrio pesados, pero a un costo y peso mucho menor. También es mucho más fácil de mover e instalar. La película brillante utiliza varias capas de polímeros, con una capa interior de plata pura. [11]
Como esta fuente de energía renovable es inconsistente por naturaleza, se han estudiado métodos de almacenamiento de energía, por ejemplo, la tecnología de almacenamiento de tanque único ( termoclina ) para centrales solares térmicas de gran escala. El enfoque del tanque termoclino utiliza una mezcla de arena de sílice y roca de cuarcita para desplazar una porción significativa del volumen del tanque. Luego se llena con el fluido de transferencia de calor, generalmente una sal de nitrato fundida .
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero similar a un invernadero. El invernadero crea un entorno protegido para resistir los elementos que pueden aumentar la confiabilidad y eficiencia del sistema solar térmico. [12]
Dentro del invernadero se encuentran suspendidos espejos ligeros y curvos que reflejan el sol. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir el sol y enfocar su luz en una red de tubos de acero estacionarios, también suspendidos de la estructura del invernadero. [13] El vapor se genera directamente utilizando agua con 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.
Luego, el vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde el vapor se inyecta continuamente en lo profundo del yacimiento de petróleo. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar temperaturas más altas y evita que se acumule polvo como resultado de la exposición a la humedad. [12] GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño Enclosed Trough, afirma que su tecnología puede producir calor para EOR por alrededor de 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con entre 10 y 12 dólares para otras tecnologías solares térmicas convencionales. [14]
En la instalación solar de Miraah , en Omán , se utilizan actualmente cubetas cerradas . En noviembre de 2017, GlassPoint anunció una asociación con Aera Energy que llevaría cilindros parabólicos al campo petrolífero de South Belridge , cerca de Bakersfield , California. [15]
En 1897, Frank Shuman , un inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar en cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua, y que estaban equipadas internamente con tubos negros. que a su vez impulsaba una máquina de vapor. En 1908, Shuman formó 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 necesaria ] desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar en las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calefacción hasta el punto de que ahora se podría usar agua en lugar de éter. . Luego, Shuman construyó una máquina de vapor a gran escala impulsada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema de motor solar en 1912.
Shuman construyó la primera central solar térmica del mundo en Maadi , Egipto , entre 1912 y 1913. La planta de Shuman utilizaba cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 hp ) que bombeaba más de 22.000 litros de agua por minuto desde el Nilo. Río a 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 solar térmica. [16] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación defendiendo la utilización de la energía solar, diciendo:
Hemos demostrado los beneficios comerciales de la energía solar en los trópicos y, más particularmente, que una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
— Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [17]
Las plantas comerciales que utilizan cilindros parabólicos pueden utilizar almacenamiento térmico durante la noche, mientras que algunas son híbridas y admiten el gas natural como fuente secundaria de combustible. En Estados Unidos, la cantidad de combustible fósil utilizada para que la planta califique como fuente de energía renovable se limita a un máximo del 27% de la producción de electricidad. [ cita necesaria ] Debido a que incluyen estaciones de enfriamiento, condensadores , acumuladores y otras cosas además de los colectores solares reales, la energía generada por metro cuadrado de área varía enormemente. [ cita necesaria ]
A partir de 2014, los sistemas de energía termosolar más grandes que utilizan tecnología cilindroparabólica incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la estación generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor de sales fundidas , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la española Solaben Solar Power de 200 MW. Estación, y la central solar Andasol 1 . [1] [2]