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IV International Conference on Sustainable Energy Development

CIDES 2025

Comparison between Parabolic Trough Collectors (PTC) and Parabolic Compound Collectors (CPC) in Industrial Process Heat Applications in Cuba.

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The industrial sector accounts for 34% of energy consumption in Cuba, primarily derived from fossil fuels, resulting in high emissions of polluting gases. Globally, 32–35% of energy is allocated to industrial processes, highlighting the need for sustainable alternatives. Solar thermal collectors, such as parabolic trough collectors (PTC) and compound parabolic collectors (CPC), emerge as viable solutions to supply medium-temperature process heat (100–300°C), contributing to energy security and emissions reduction.

Challenges:

Although PTCs are widely used in industrial applications, their efficiency is limited in regions with high diffuse radiation, such as Cuba, where it accounts for 39% of annual solar radiation. CPCs, designed to capture both direct and diffuse radiation, could offer advantages in such contexts. However, their higher initial cost (10% greater, according to studies in Europe and India) necessitates a detailed comparative analysis.

Objectives:

Compare the techno-economic performance of PTC and CPC systems for industrial process heat in Cuba, using the central kitchen of the Universidad Marta Abreu de las Villas (latitude 22.44, longitude -79.90) as a case study. Evaluate global radiation capture, levelized cost of heat (LCOH), and feasibility under predominant diffuse radiation conditions.

Methodology:

PTC and CPC systems were designed for local conditions (average annual irradiance: 613 W/m²; 25% diffuse, 75% direct). Radiation capture was analysed using optical models, and LCOH was calculated based on investment, operation, and maintenance costs from recent literature.

Results:

Radiation capture: CPCs utilized 35% of diffuse radiation (vs. 0% for PTCs) and 70% of direct radiation (vs. 69% for PTCs), achieving an overall efficiency of 61% compared to 52% for PTCs.

LCOH: CPCs had an LCOH of 183 USD/MWh, slightly lower than the 185 USD/MWh for PTCs, due to higher annual energy capture.

Feasibility: In high-diffuse-radiation regions like Cuba, CPCs are more favorable despite higher initial costs, as they maximize usable energy.

Conclusion:

The study demonstrates that, for industrial applications in Cuba, CPCs are technically superior and economically competitive compared to PTCs, owing to their ability to harness diffuse radiation. This suggests that renewable energy policies should consider CPCs as a key alternative for decarbonizing industrial process heat in regions with high diffuse radiation.

El sector industrial consume el 34% de la energía en Cuba, principalmente derivada de combustibles fósiles, lo que genera altas emisiones de gases contaminantes. A nivel global, el 32-35% de la energía se destina a procesos industriales, destacando la necesidad de alternativas sostenibles. Los colectores solares térmicos, como los cilindro parabólicos (PTC) y los compuestos parabólicos (CPC), emergen como soluciones viables para suministrar calor de proceso a media temperatura (100-300°C), contribuyendo a la seguridad energética y la reducción de emisiones.

Problemática:

Aunque los PTC son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales, su eficiencia se ve limitada en regiones con alta radiación difusa, como Cuba, donde esta representa el 39% de la radiación anual. Los CPC, diseñados para captar tanto radiación directa como difusa, podrían ofrecer ventajas en tales contextos, pero su mayor costo inicial (10% superior según estudios en Europa e India) requiere un análisis comparativo detallado.

Objetivos:

Comparar el desempeño técnico-económico de sistemas PTC y CPC para calor de proceso industrial en Cuba, utilizando como caso de estudio el comedor central de la Universidad Marta Abreu de las Villas (latitud 22.44, longitud -79.90). Evaluando la captación de radiación global, el costo nivelado de calor (LCOH) y la viabilidad en condiciones de radiación difusa predominante.

Metodología:

Se diseñaron sistemas PTC y CPC bajo las condiciones locales (irradiación promedio anual: 613 W/m², 25% difusa, 75% directa). Se analizó la captación de radiación mediante modelos ópticos y se calculó el LCOH considerando costos de inversión, operación y mantenimiento reportados en literatura reciente.

Resultados:

- Captación de radiación: El CPC aprovechó un 35% de la radiación difusa (vs. 0% del PTC) y un 70% de la directa (vs. 69% del PTC), logrando una eficiencia global del 61% frente al 52% del PTC.

- LCOH: El CPC presentó un LCOH de 183 USD/MWh, ligeramente inferior al 185 USD/MWh del PTC, debido a su mayor captación anual.

- Viabilidad: En regiones con alta radiación difusa como Cuba, el CPC resulta más favorable a pesar de su mayor costo inicial, al maximizar la energía aprovechable.

Conclusión:

El estudio demuestra que, para aplicaciones industriales en Cuba, los CPC son técnicamente superiores y económicamente competitivos frente a los PTC, gracias a su capacidad de aprovechar la radiación difusa. Esto sugiere que políticas de promoción de energías renovables deberían considerar el CPC como alternativa clave para descarbonizar el calor de proceso industrial en lugares con alta radiación difusa.