Canal parabólico

Un colector parabólico (PTC) es un tipo de colector solar térmico que es recto en una dimensión y curvo en forma de parábola en las otras dos, revestido con un espejo de metal pulido . La luz solar que incide 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 desean calentar. En una cocina solar , por ejemplo, los alimentos se colocan en la línea focal del colector, y se cocinan cuando este se orienta de manera que el sol se encuentre en su plano de simetría.

Para otros fines, un tubo que contiene un fluido recorre la longitud del colector parabólico a la altura de su línea focal. La luz solar se concentra en el tubo y el fluido se calienta a alta temperatura gracias a su energía. El fluido caliente puede ser conducido a una máquina térmica (por ejemplo, un ciclo ORC o un ciclo Rankine de agua/vapor), que utiliza la energía térmica para accionar maquinaria o generar electricidad. Este colector solar es el tipo de colector parabólico más común y conocido.

Cuando se utiliza un fluido de transferencia de calor para calentar vapor y accionar un generador de turbina estándar, la eficiencia térmica oscila entre el 50 y el 80 %. La eficiencia global desde el colector hasta la red, es decir, (potencia eléctrica de salida)/(potencia solar total incidente) es de aproximadamente el 15 %, similar a las células fotovoltaicas pero inferior a la de los concentradores de plato Stirling . Las centrales termosolares 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. A continuación, se llena con el fluido de transferencia de calor, normalmente una sal de nitrato fundida .

En 2014, los sistemas de energía solar térmica más grandes que utilizaban tecnología de colectores parabólicos incluían las plantas SEGS  de 354 MW en California, la central eléctrica Solana de 280 MW con almacenamiento de calor en sales fundidas , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la central solar Solaben de 200 MW en España y la central solar Andasol 1. ^{[ 1 ] [ 2 ]}   

El colector parabólico suele estar alineado en un eje norte-sur y gira para seguir el movimiento del sol a través del cielo cada día. Alternativamente, puede alinearse en un eje este-oeste; esto reduce la eficiencia general del colector debido a que la luz solar incide en los colectores en ángulo, pero solo requiere que el colector esté alineado con el cambio de estaciones , evitando la necesidad de motores de seguimiento. Este método de seguimiento se aproxima a las eficiencias teóricas en los equinoccios de primavera y otoño, con un enfoque menos preciso de la luz 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 colectores parabólicos ajustados estacionalmente generalmente se diseñan con un producto de aceptación de concentración menor .

Los concentradores parabólicos 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 alcanza mejor con concentradores más elaborados basados ​​en diseños primario-secundario que utilizan óptica no formadora de imágenes ^{[ 3 ] [ 4 ],} los cuales pueden casi duplicar la concentración de los concentradores parabólicos convencionales ^{[ 5 ]} y se utilizan para mejorar diseños prácticos como aquellos con receptores fijos. ^{[ 6 ]}

Un fluido de transferencia de calor (generalmente aceite térmico ) circula por el tubo para absorber la luz solar concentrada. Esto eleva la temperatura del fluido a unos 400  °C. ^{[ 7 ]} El fluido de transferencia de calor se utiliza posteriormente 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 global desde el colector hasta la red, es decir, (Potencia eléctrica de salida)/(Potencia solar total incidente), es de aproximadamente el 15 %, similar a la de las células fotovoltaicas (PV), pero inferior a la de los concentradores parabólicos Stirling . ^{[ 8 ]}

Un colector parabólico está formado por varios módulos colectores solares ( SCM ) fijados entre sí para moverse como un único conjunto colector solar ( SCA ). Un SCM puede tener una longitud de hasta 15 metros (49 pies 3 pulgadas) o más. Aproximadamente una docena o más de SCM hacen que cada SCA alcance una longitud de hasta 200 metros (656 pies 2 pulgadas) . Cada SCA es un colector parabólico de seguimiento independiente. ^{[ 9 ]}    

Un espejo parabólico de sección transversal (SCM) puede fabricarse como una sola pieza o ensamblarse con varios espejos más pequeños en filas paralelas. Los espejos modulares más pequeños requieren maquinaria más pequeña para su fabricación, lo que reduce el costo. El costo también se reduce en caso de que sea necesario reemplazar un espejo dañado. Dicho daño puede ocurrir por el impacto de un objeto durante condiciones climáticas adversas.

Además, existen canales tipo V que están hechos de 2 espejos y colocados en ángulo uno hacia el otro. ^{[ 10 ]}

En 2009, científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y SkyFuel colaboraron para desarrollar grandes láminas curvas de metal que podrían ser un 30 % más económicas que los mejores colectores solares concentrados actuales , al reemplazar los modelos de vidrio con una lámina de polímero de plata que ofrece el mismo rendimiento que los pesados ​​espejos de vidrio, pero a un costo y peso mucho menores. Además, es mucho más fácil de transportar e instalar. La película brillante utiliza varias capas de polímeros, con una capa interna de plata pura. ^{[ 11 ]}

Dado que esta fuente de energía renovable es inherentemente inconsistente, se han estudiado métodos de almacenamiento de energía, como la tecnología de almacenamiento en tanque único ( termoclina ) para centrales termosolares a gran escala. El método de tanque termoclino utiliza una mezcla de arena de sílice y roca de cuarcita para desplazar una parte significativa del volumen del tanque. Posteriormente, 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. El invernadero crea un entorno protegido para resistir las inclemencias del tiempo, lo que puede aumentar la fiabilidad y la eficiencia del sistema solar térmico. ^{[ 12 ]}

Espejos ligeros y curvos reflectantes de luz solar están suspendidos dentro del invernadero. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir al sol y enfocar su luz en una red de tuberías de acero fijas, también suspendidas de la estructura del invernadero. ^{[ 13 ]} El vapor se genera directamente utilizando agua de calidad petrolera, 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 del campo, donde se inyecta continuamente en las profundidades del yacimiento petrolífero. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar temperaturas más altas y evita la acumulación de polvo como resultado de la exposición a la humedad. ^{[ 12 ]} GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño del colector cerrado, afirma que su tecnología puede producir calor para la recuperación mejorada de petróleo (EOR) por aproximadamente 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con los entre 10 y 12 dólares de otras tecnologías solares térmicas convencionales. ^{[ 14 ]}

Actualmente se utilizan colectores parabólicos cerrados en la planta solar de Miraah , en Omán . En noviembre de 2017, GlassPoint anunció una asociación con Aera Energy que llevaría colectores parabólicos al yacimiento petrolífero de South Belridge , cerca de Bakersfield , California. ^{[ 15 ]}

En 1897, Frank Shuman , inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense, construyó un pequeño prototipo de motor solar que funcionaba reflejando la energía solar sobre cajas cuadradas llenas de éter, cuyo punto de ebullición es inferior al del agua. Estas cajas contaban internamente con tuberías negras que, a su vez, alimentaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman fundó la Sun Power Company con la intención de construir centrales solares de mayor tamaño. Junto con su asesor técnico, ASE Ackermann, y el físico británico Sir Charles Vernon Boys , desarrolló un sistema mejorado que utilizaba espejos para reflejar la energía solar sobre las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calentamiento hasta el punto de que ahora se podía utilizar agua en lugar de éter. Posteriormente, Shuman construyó una máquina de vapor a escala real alimentada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema del 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 a 52 kilovatios (60 a 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 resurgieron 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 la rentabilidad comercial de la energía solar en los trópicos y, más concretamente, hemos demostrado que, una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la humanidad puede obtener energía ilimitada de los rayos del sol.

Las plantas comerciales que utilizan colectores parabólicos pueden emplear almacenamiento térmico durante la noche, mientras que algunas son híbridas y utilizan gas natural como fuente de combustible secundaria. En Estados Unidos, la cantidad de combustible fósil necesaria para que una planta se considere una fuente de energía renovable está limitada a un máximo del 27 % de la producción de electricidad. Debido a que incluyen estaciones de refrigeración, condensadores , acumuladores y otros componentes además de los colectores solares propiamente dichos, la potencia generada por metro cuadrado varía enormemente.

En 2014, los sistemas de energía solar térmica más grandes que utilizaban tecnología de colectores parabólicos incluían las plantas SEGS  de 354 MW en California, la central eléctrica Solana de 280 MW con almacenamiento de calor en sales fundidas , el proyecto de energía solar Genesis de 250 MW , la central solar Solaben de 200 MW en España y la central solar Andasol 1. ^{[ 1 ] [ 2 ]}   

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• Centrales solares de Kramer Junction , imagen satelital, Google Maps.
• ParabolaTool – Herramienta para calcular la forma de un canal parabólico