Efectos de la frecuencia del flujo pulsante y la amplitud adimensional en el rendimiento térmico del captador solar parabólico de canal SEGS LS-2

Hacer que el calor solar trabaje más

Los captadores solares parabólicos de canal son una tecnología consolidada para convertir la radiación solar en calor para generación eléctrica e industria. Este estudio plantea una pregunta simple pero potente: en lugar de impulsar el aceite portador de calor a través de estos captadores a un ritmo constante, ¿y si se «pulsara» suavemente el flujo? Al acelerar y desacelerar rítmicamente el líquido, los autores muestran que es posible extraer más calor útil de la misma radiación solar, con un cambio pequeño y de bajo coste en los sistemas existentes.

Cómo los espejos curvados capturan la luz solar

El trabajo se centra en un diseño comercial ampliamente utilizado llamado captador parabólico de canal SEGS LS-2. Espejos largos y curvados concentran la luz solar sobre un tubo metálico estrecho que corre a lo largo del foco del canal. En el interior de ese tubo se bombea un aceite especial de transferencia térmica llamado Syltherm 800, que recoge el calor que después puede accionar un ciclo de potencia o un proceso industrial. El tubo está rodeado por una envoltura de vidrio y un espacio evacuado (baja presión) para reducir las pérdidas térmicas. Dado que el espejo no ilumina el tubo de manera uniforme alrededor de su circunferencia, algunas regiones del tubo se calientan mucho más que otras, lo que afecta la eficiencia con la que el calor pasa al aceite en flujo.

Convertir el flujo en un pulso suave

En lugar de cambiar el hardware del captador, como añadir aletas o insertos especiales, los autores modifican cómo se mueve el fluido. Imponen una condición de entrada sinusoidal y suave: la caudal oscila alrededor de su valor medio normal, haciéndose un poco más rápido y luego un poco más lento en un patrón repetitivo. Dos mandos controlan este movimiento. La frecuencia (0,2–6 ciclos por segundo) determina con qué frecuencia el flujo se acelera y desacelera, y la amplitud adimensional (0,3–0,9) fija qué tan fuerte es cada pulso respecto a la velocidad media. Usando software avanzado de dinámica de fluidos, simulan cómo estas pulsaciones interactúan con la fina capa de fluido que se adhiere a la pared interior del tubo, donde ocurre la mayor parte de la transferencia de calor.

Qué sucede dentro del tubo caliente

En flujo estacionario, el aceite más rápido está cerca del centro del tubo, mientras que el fluido próximo a la pared es lento y está dominado por la fricción. Esa región cercana a la pared limita la rapidez con la que el calor puede pasar al flujo principal. Las simulaciones muestran que con una pulsación óptima—alrededor de 5 Hz con una amplitud moderada de 0,5—las pulsaciones extraen energía de la corriente central más rápida y la empujan hacia la capa cercana a la pared. Esto genera una mezcla intensa en pequeña escala justo donde el tubo metálico contacta con el fluido. Como resultado, la tasa efectiva de transferencia de calor, medida por un número adimensional llamado número de Nusselt, sube hasta alrededor de 5,1, superior al caso estacionario. La pared exterior del tubo se mantiene más fría, mientras que el aceite que sale del captador resulta ligeramente más caliente en conjunto, lo que indica que una mayor fracción de la energía solar entrante acaba en el fluido.

Encontrar el punto óptimo y sus límites

El estudio explora muchas combinaciones de frecuencia y fuerza del pulso para hallar el punto práctico óptimo. A frecuencias muy bajas, el flujo no pulsa lo bastante a menudo como para perturbar de forma apreciable la capa próxima a la pared, por lo que las ganancias de rendimiento son pequeñas. En el óptimo de 5 Hz y amplitud 0,5, la eficiencia térmica promediada en el tiempo alcanza cerca del 77%, frente al aproximadamente 74% reportado para flujo constante—una mejora de 3–4,5 puntos porcentuales. Elevar aún más la frecuencia, hacia 6 Hz, trae rendimientos decrecientes: el patrón de turbulencia se «congela» efectivamente y deja de responder a oscilaciones más rápidas. De igual modo, hacer los pulsos demasiado fuertes (alta amplitud) aumenta la transferencia interna de calor pero enfría demasiado el fluido al atravesar rápidamente el equipo, reduciendo la eficiencia global.

Mejora de bajo coste para regiones soleadas

Puesto que la geometría del captador y el fluido de trabajo no cambian, este enfoque podría aplicarse a campos solares existentes añadiendo hardware de control de flujo relativamente simple, como válvulas controladas por frecuencia o dispositivos rotatorios en la entrada. Los autores estiman que, para un módulo estándar LS-2, el coste de una válvula de este tipo representa solo alrededor del 1–2% del precio del captador, mientras que puede aportar una ganancia de eficiencia de aproximadamente un 3%. En regiones muy soleadas, cálidas y secas—donde la radiación solar es alta y estos captadores ya son comunes—esta pequeña mejora relativa podría traducirse en una cantidad sustancial de energía adicional durante la vida útil de una planta. En términos sencillos, aprendiendo a «agitar» el fluido de transferencia de calor del modo adecuado, los ingenieros pueden extraer más calor utilizable de la misma luz solar, sin rediseños costosos ni materiales exóticos.

Cita: Ferdosnia, S., Mirzaee, I., Abbasalizadeh, M. et al. Effects of pulsating flow frequency and dimensionless amplitude on the thermal performance of SEGS LS-2 parabolic trough solar collector. Sci Rep 16, 6105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35619-x

Palabras clave: captador solar parabólico de canal, flujo pulsante, mejora de la transferencia de calor, eficiencia térmica solar, válvulas controladas por frecuencia