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Canal parabólico en una planta cerca de Harper Lake, California

Un colector cilindro-parabólico 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 paralelamente a su plano de simetría se enfoca a lo largo de la línea focal , donde se colocan los objetos que están destinados a ser calentados. En una cocina solar , por ejemplo, los alimentos se colocan en la línea focal de un comedero, que se cuece cuando el comedero está orientado para que el Sol esté en su plano de simetría.

Para otros propósitos, un tubo que contiene un fluido corre a lo largo del canal en su línea focal. La luz solar se concentra en el tubo y el fluido se calienta a alta temperatura por 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 cilindro parabólico más común y conocido.

Cuando se usa fluido de transferencia de calor para calentar vapor para impulsar un generador de turbina estándar, la eficiencia térmica varía entre el 60 y el 80%. La eficiencia general del colector a la red, es decir (potencia de salida eléctrica) / (potencia solar total impactante) es de aproximadamente el 15%, similar a la fotovoltaica (células fotovoltaicas) pero menor que la de los concentradores de plato 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 caloportador, típicamente una sal de nitrato fundida .

A partir de 2014, los mayores sistemas de energía termosolar que utilizan tecnología cilindroparabólica incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la Central Generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor en sales fundidas , el Proyecto de Energía Solar Génesis de 250 MW , la Energía Solar Solaben de 200 MW de España. Station, y la central solar Andasol 1 . [1] [2]

Eficiencia

Un diagrama de una granja solar de colectores cilindro-parabólicos (arriba) y una vista del extremo de cómo un colector parabólico enfoca la luz solar en su punto focal.

La depresión generalmente se alinea en un eje norte-sur y se gira para seguir al sol a medida que se mueve por el cielo todos los días. Alternativamente, la vaguada se puede alinear 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 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 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 cilindro parabólicos ajustados estacionalmente se diseñan generalmente con unproducto de aceptación de concentración .

Los concentradores cilindro-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 logra mejor con concentradores más elaborados basados ​​en diseños primario-secundario que utilizan ópticas sin imágenes [3] [4] que pueden casi duplicar la concentración de los colectores cilindro parabólicos convencionales [5] y se utilizan para mejorar diseños prácticos como los que tienen receptores. [6]

El fluido de transferencia de calor (generalmente aceite térmico ) atraviesa el tubo para absorber la luz solar concentrada. Esto aumenta la temperatura del fluido a 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 varía entre el 60 y el 80%. La eficiencia general del colector a la red, es decir (potencia de salida eléctrica) / (potencia solar total impactante) es de aproximadamente el 15%, similar a la fotovoltaica (células fotovoltaicas) pero menor que la de los concentradores de plato Stirling . [8]

Diseño

Un canal parabólico tiene la forma de una parábola en el plano xy, pero es lineal en la dirección z

Un colector cilindro parabólico está hecho de varios módulos colectores solares ( SCM ) fijados entre sí para moverse como un conjunto colector solar ( 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 el costo. El costo también se reduce en caso de que sea necesario reemplazar un espejo dañado. Dichos daños pueden ocurrir debido a los golpes de un objeto durante las inclemencias del tiempo.

Además, existen colectores cilindro-parabólicos tipo V que están hechos de 2 espejos y colocados en ángulo entre sí. [10]

En 2009, los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y SkyFuel se unieron para desarrollar grandes láminas de metal curvas que tienen el potencial de ser un 30% menos costosas que los mejores colectores de energía solar concentrada de la actualidad al reemplazar los modelos basados ​​en vidrio con una placa plateada. lámina de polímero que tiene el mismo rendimiento que los espejos de vidrio pesado, pero a un costo y peso mucho más bajos. 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 enfoque 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 caloportador, típicamente una sal de nitrato fundido .

Comedero cerrado

Dentro de un sistema de canal cerrado

La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero similar a un invernadero. El invernadero crea un ambiente protegido para resistir los elementos que pueden reducir la confiabilidad y eficiencia del sistema térmico solar. [12]

Espejos ligeros curvos que reflejan el sol están suspendidos dentro del invernadero. Un sistema de seguimiento de un solo eje coloca los espejos para seguir el sol y enfocar su luz en 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 campo petrolífero, ya que el agua fluye a lo largo de las tuberías, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.

El vapor producido luego se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde el vapor se inyecta continuamente en las profundidades del depósito 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 compañía que creó el diseño Enclosed Trough, afirma que su tecnología puede producir calor para EOR por alrededor de $ 5 por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con entre $ 10 y $ 12 para otras tecnologías térmicas solares convencionales. [14]

Actualmente se están utilizando bebederos cerrados en la instalación solar de Miraah en Omán . En noviembre de 2017, GlassPoint anunció una asociación con Aera Energy que traería colectores cilindro parabólicos al campo petrolífero de South Belridge , cerca de Bakersfield , California. [15]

Adopción comercial temprana

Un dibujo de patente de 1917 para el sistema de energía solar cilindroparabólica de Shuman

En 1897, Frank Shuman , un inventor, ingeniero y pionero de la energía solar de EE. UU., 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 provistas internamente de tubos negros. que a su vez accionaba 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 requerida ]desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar sobre las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calefacción hasta el punto de que ahora se puede utilizar agua en lugar de éter. Shuman luego 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 termosolar del mundo en Maadi , Egipto , entre 1912 y 1913. La planta de Shuman utilizaba cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45-52 kilovatios (60-70  CV ) que bombeaba más de 22.000 litros de agua por minuto desde el Nilo. Río a 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 solar térmica. [16] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación defendiendo la utilización de la energía solar, diciendo:

Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y hemos demostrado más particularmente que después de que se agoten 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]

Plantas comerciales

Central Solar Andasol en España.
Matriz de colectores cilindroparabólicos.

Las plantas comerciales que utilizan colectores cilindro-parabólicos pueden utilizar almacenamiento térmico durante la noche, mientras que algunas son híbridas y utilizan gas natural como fuente secundaria de combustible. En los Estados Unidos, la cantidad de combustible fósil que se utiliza para que la planta califique como fuente de energía renovable se limita 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 reales, la energía generada por metro cuadrado de área varía enormemente. [ cita requerida ]

A partir de 2014, los mayores sistemas de energía termosolar que utilizan tecnología cilindroparabólica incluyen las plantas SEGS de 354 MW en California, la Central Generadora Solana de 280 MW con almacenamiento de calor en sales fundidas , el Proyecto de Energía Solar Génesis de 250 MW , la Energía Solar Solaben de 200 MW de España. Station, y la central solar Andasol 1 . [1] [2]

Ver también

  • Parábola
  • Reflector parabólico
  • Cocina solar
  • Lista de centrales termosolares

Referencias

  1. ^ a b NREL.gov Concentración de proyectos de energía solar en los Estados Unidos , 17 de febrero de 2014
  2. ^ a b Proyectos de energía solar de concentración de NREL-gov en España , 17 de febrero de 2014
  3. ^ Chaves, Julio (2015). Introducción a la óptica sin imágenes, segunda edición . Prensa CRC . ISBN 978-1-4822-0673-9.
  4. ^ Roland Winston et al., Óptica sin imágenes , Academic Press, 2004 ISBN 978-0-12-759751-5 
  5. ^ Diogo Canavarro et al., Nuevos concentradores de segunda etapa (XX SMS) para primarias parabólicas; Comparación con concentradores cilindro-parabólicos convencionales , Solar Energy 92 (2013) 98-105
  6. ^ Diogo Canavarro et al., Concentradores infinitesimales etendue y simultáneos de múltiples superficies (SMS) para canales receptores fijos , Solar Energy 97 (2013) 493–504
  7. ^ "Temperatura del tubo absorbente" . abengoasolar.es . Archivado desde el original el 1 de agosto de 2009.
  8. ↑ Patel99 Ch.9
  9. ^ "Canal parabólico" . www.gsenergy.eu. 6 de diciembre de 2017.
  10. ^ Hijo, BC (1 de enero de 1978). "Análisis del concentrador solar de espejo plano V-canal". Doctor. Tesis . Bibcode : 1978PhDT ....... 157S - vía NASA ADS.
  11. ^ Harry Tournemille. "Los reflectores solares galardonados reducirán los costos de producción" . www.energyboom.com . Consultado el 25 de noviembre de 2009 .
  12. ^ a b Deloitte Touche Tohmatsu Ltd, "Energy & Resources Predictions 2012" , 2 de noviembre de 2011
  13. ^ Helman, Christopher, "Aceite del sol" , "Forbes", 25 de abril de 2011
  14. ^ Goossens, Ehren, "Chevron usa vapor termosolar para extraer petróleo en California" , "Bloomberg", 3 de octubre de 2011
  15. ^ "GlassPojnt anuncia proyecto solar Belridge" .
  16. ^ Smith, Zachary Alden; Taylor, Katrina D. (2008). Recursos de energía renovable y alternativa: un manual de referencia . ABC-CLIO . pag. 174 . ISBN 978-1-59884-089-6.
  17. ^ Inventor estadounidense usa el sol de Egipto para obtener energía; El aparato concentra los rayos de calor y produce vapor, que se puede utilizar para impulsar bombas de riego en climas cálidos , The New York Times , 2 de julio de 1916.

Bibliografía

  • Duffie, John; Williams Beckman (1991). Ingeniería Solar de Procesos Térmicos (Segunda ed.). Nueva York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-51056-4.
  • Patel., Mukund (1999). Sistemas de energía eólica y solar . Boca Raton Londres Nueva York Washington, DC: CRC Press. ISBN 0-8493-1605-7.

Enlaces externos

  • Plantas de energía solar de Kramer Junction , imagen de satélite, mapa de Google.
  • ParabolaTool - Herramienta para calcular la forma de un cilindro parabólico