BR112013003015B1

BR112013003015B1 - Concentrador solar com sistema de suporte e rastreamento solar

Info

Publication number: BR112013003015B1
Application number: BR112013003015-1A
Authority: BR
Inventors: Gonzalo Bernabé Peris Domingo; Sergio EHLIS PIRRETAS; Jordi Mulet Mas; Joan Ignasi Rosell Urrutia; Daniel Chemisana Villegas
Original assignee: Gonzalo Bernabé Peris Domingo; Sergio Ehlis Pirretas; Jordi Mulet Mas; Joan Ignasi Rosell Urrutia; Daniel Chemisana Villegas; Compania Valenciana De Energias Renovables, S.A.
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2021-09-28
Also published as: AU2010358879B2; CN103140725B; CN103140725A; WO2012020146A1; US20130139805A1; EP2604950A1; US9239172B2; EP2604950B1; ES2541600T3; AU2010358879A1; BR112013003015A2

Abstract

concentrador solar com sistema de suporte e rastreamento solar - a invenção propõe um concentrador solar que compreende uma ou várias lentes e um ou vários sensores, e ao menos duas estruturas de ligação (2) do sensor solar e lente, e ao menos duas estruturas de fixação (1), que permitem uma rotação, de acordo com um eixo longitudinal; a estrutura de ligação pode girar ou mover-se, permitindo o deslocamento da lente (3) e o sensor em sentidos contrários e a variação da sua distância relativa, o que resolve o problema da variação da distância focal para cada ângulo de incidência pontual da radiação.

Description

Campo de invenção

[001] A presente invenção se aplica a sistemas de captação solar por refração. Mas em concreto, se refere a um sistema capaz de realizar um rastreamento dos raios solares tanto em função das horas do dia, como da estação do ano.

Antecedentes da invenção

[002] Existem muitos tipos de sistemas para captação de energia solar, assim como para a concentração dos raios de forma linear para esquentar um fluído a alta temperatura, que é utilizado geralmente para produzir eletricidade.

[003] Um tipo de concentrador existente é o que utiliza lentes Fresnel lineares para concentrar os raios solares sobre o fluído. Os sistemas estão formados basicamente pela lente, um coletor onde se recolhe a radiação concentrada e a estrutura e mecanismos do suporte.

[004] Um problema comum nos sistemas existentes é que só se faz o rastreador dos raios solares a um eixo em uma trajetória leste-oeste segundo avança em dia ou norte-sul para diferentes épocas do ano, implica uma perda de rendimento do sistema ao perder concentração na linha de captação. Isto é devido ao uso de lentes de concentração linear, já que o ponto focal de máxima concentração varia em função do ângulo de incidência da radiação, afetando ao rendimento da instalação.

[005] Este problema técnico só tem sido resolvido até o momento, mediante sistemas de movimento a dois eixos perpendiculares entre si que permitem o rastreamento do sol em todas as suas posições com que o ângulo de incidência dos raios solares sobre a lente, é sempre perpendicular respeitando ambos os eixos, mantendo o ponto de máxima concentração invariável. Isto é a distância focal entre a lente e o coletor constante. Para conseguir saltos de temperatura altos, devem-se conectar coletores em série, e a maneira de maximizar o rendimento é pondo ditos coletores formando linhas retas de grande longitude, e isto não permite o sistema a dois eixos descrito anteriormente.

[006] A patente W02007/087343 descreve um sistema que permite o movimento tanto em eixo leste-oeste, como em norte-sul, para otimizar o uso da energia para qualquer ângulo de incidência. O sistema, no entanto, se baseia em umas esferas que giram em torno dos eixos e concentram os raios pontualmente, o que impede otimizar o rendimento em concentradores lineares.

Objeto da invenção

[007] A invenção tem por objeto resolver os problemas técnicos citados no apartado anterior. Para isso, propõe um concentrador solar previsto de ao menos uma lente de concentração linear, e ao menos um coletor, e previsto de um sistema de suporte e rastreador, onde o sistema compreende al menos duas estruturas de fixação adaptadas para rodar ao redor de um primeiro eixo longitudinal, e ao menos duas estruturas de ligação de (dos) coletor (es) solar (es) e a (as) lente (s) , fixadas por dois pontos a cada estrutura de fixação, e capazes de girar respectivo a um segundo eixo transversal que passa por dois pontos e é perpendicular ao primeiro, de maneira que o plano definido pela estrutura de ligação se incline respectivamente ao plano da estrutura de fixação, e onde a estrutura de ligação está adaptada de maneira que permite a deslocação da (s) lente (s) e do (s) coletor (es) em sentidos opostos à variação de sua distância relativa.

[008] Exemplos de realizações particulares se definem nas reivindicações dependentes.

[009] Graças ao sistema da invenção, é possível, portanto, variar a distância entre lente e coletor, de maneira que o último esteja em ponto de máxima concentração solar.

Breve descrição das figuras

[0010] Com objetivo de ajudar a um melhor entendimento das características da invenção de acordo com um exemplo preferente de realização prática da mesma, se acompanha a seguinte descrição de um jogo de desenhos de caráter ilustrativo, se representa o seguinte: Figura 1 - é uma representação esquemática do princípio da invenção Figura 2 - mostra um primeiro exemplo de realização da invenção. Figura 3 - mostra um segundo exemplo de realização da invenção. Figura 4 - é uma vista frontal e transversal da lente Fresnel e o coletor quando os raios solares incidem de maneira perpendicular ao sistema. Figura 5 - é uma vista frontal e transversal quando os raios incidem de maneira oblíqua. Figura 6 - mostra vários sistemas montados de forma contígua para sua instalação em uma planta termo-solar. Figura 7 - mostra várias realizações alternativas da estrutura de ligação. Figura 8 - mostra uma forma alternativa das estruturas de ligação e fixação. Figuras 9A, 9B e 9C - são outros exemplos particulares de realização adaptados para o uso de várias lentes e coletores em paralelo.

Descrição detalhada da invenção

[0011] Nas figuras 2-3 pode-se observar sistemas segundo à invenção, que compreende ao menos duas estruturas de ligação (2) do coletor solar (4) e a lente (3), e, ao menos, duas estruturas de fixação (1). O eixo longitudinal do conjunto se define com aquele que é paralelo à lente e às suas arestas de maior longitude. A estrutura de fixação permite o giro ao redor do eixo longitudinal.

[0012] Na figura 02, pode-se observar um primeiro exemplo de realização onde a estrutura de fixação (1) e o coletor (4) são solidários, o eixo longitudinal coincide com o eixo do coletor e a estrutura de ligação está munido de um contrapeso (8).

[0013] Na figura 03, pode-se observar o sistema da invenção na configuração com estrutura de ligação em forma de arco de circunferência. Neste exemplo particular, não é necessário o contrapeso, já que o eixo de giro da estrutura de fixação se encontra por cima do coletor. Para conseguir o giro da estrutura de fixação poderia usar-se (sem que a invenção se limite a este exemplo) um sistema de energia. O eixo transversal se define como aquele que passa pelos dois pontos de ancoragem entre a estrutura de fixação e a estrutura de ligação. A estrutura de união pode girar respectivamente à dois pontos da estrutura de fixação para qualquer posição desta última, de maneira que o plano definido pela estrutura de ligação se incline respectivamente ao plano da estrutura de fixação, permitindo o descolamento longitudinal da lente e o coletor no sentido contrário, variando, também, à sua distância relativa.

[0014] A estrutura de ligação lente-coletor, apresenta preferentemente uma forma de arco de circunferência, concêntrica à estrutura de fixação e fixada a esta com possibilidade de giro em torno al eixo transversal, situado aproximadamente no centro de gravidade entre lente e coletor, de maneira que o giro seja equilibrado. Esta estrutura também pode apresentar forma de V com perfis retos que unem as arestas da lente com o coletor, forma quadrada ou de U (figura 7).

[0015] A lente será preferentemente do tipo Fresnel, por seu menor peso e custo. Também, comprova-se que a lente Fresnel do tipo curvo oferece melhores benefícios. Alternativamente, a lente pode ser do tipo esférico. A lente pode incorporar um marco em torno de suas arestas para dar-lhe rigidez e facilitar a conexão com a estrutura de ligação.

[0016] Uma característica das lentes de concentração linear, é, como mencionado, que se o ângulo de incidência não é normal à superfície, a distância focal (ver figuras 4 e 5, ref. f1 e f2) medida perpendicularmente à superfície da lente varia. Portanto, se pretender aproveitar ao máximo a radiação que chega até a lente, não há outra opção que não seja variar a distância entre lente e coletor, para que este se situe em cada momento na zona de máxima concentração de raios. Isso se consegue graças ao giro da estrutura de ligação, respectivamente à estrutura de fixação mediante articulações que permitem um deslocamento de até 75 graus (rolamentos ou mancais de deslizamento, por exemplo), e a que o coletor e a lente estão conectados à estrutura de ligação, também, mediante articulações (5) que permitem que as posições de ambos elementos se mantenham paralelos.

[0017] Quando o ângulo de incidência doa raios sobre a lente não é perpendicular respectivamente ao eixo longitudinal, também, se produz um deslocamento da mancha solar (zona onde se concentra a radiação) para um extremo (figuras 1 e 5) em sentido longitudinal. Graças à invenção, se compensa esse efeito com o deslocamento da lente respectivamente ao coletor, conseguindo que toda a mancha solar projetada pela lente incida no coletor.

[0018] A lente e o coletor, como mencionado, estão unidos mediante uma estrutura articulada tanto na ligação com a lente ou seu marco, como na ligação como o coletor. A distância entre as articulações permitirá que quando a estrutura de ligação gire, se produza um deslocamento longitudinal do coletor e da lente. A referida rotação provoca, uma variação da distância entre lente e coletor.

[0019] A combinação de movimentos das estruturas permite à lente uma infinidade de posições com inclinação a leste/oeste ou norte/sul, e posições da lente perto ou distantes do eixo de rotação da estrutura de ligação.

[0020] Mediante a rotação sobre o eixo longitudinal que realiza a estrutura de fixação, se consegue que o ângulo de incidência dos raios solares, seja sempre perpendicular ao eixo transversal. Através da rotação sobre o eixo transversal que realiza a estrutura de ligação, se consegue que a distância entre a lente e coletor se situem em um ponto de máxima concentração dos raios solares.

[0021] Desta maneira, a lente se moverá sempre em sentido oposto ao coletor, variando sua posição relativa longitudinal e sua distância em direção normal, mas nunca sua posição relativa transversal.

[0022] Uma realização alternativa se mostra na figura 8, em que tanto a estrutura de ligação (2), como a de fixação (1) têm forma de V. A estrutura de fixação pode girar em torno de um eixo longitudinal, que neste caso passa por seu vértice. O giro da estrutura de ligação e o movimento relativo da lente e o coletor produzem de maneira análoga aos exemplos anteriores. Para assegurar a estabilidade do sistema, é fornecido suportes telescópicos (6) que ao variar de longitude fazem com que a estrutura da fixação se incline para um lado ou para outro ao redor do eixo longitudinal. Esses sistemas telescópicos podem ser hidráulicos ou elétricos ou funcionar mediante um sistema de energia ou "sem fim".

[0023] Em outros exemplos particulares, que podem se observar nas figuras 9A, 9B e 9C, a estrutura de ligação teria forma de serra ou barco, da maneira que pode acomodar vários coletores e várias lentes em paralelo. Esse sistema apresenta vantagem de que as proporções são mais planas, isto é, a altura do conjunto é menor em relação à largura, ganhando estabilidade.

[0024] Para este exemplo, se contemplam dois tipos de estrutura de fixação (Fig. 9A), como descrito anteriormente (Fig. 3) e o segundo (Fig. 9B e 9C) é em forma de barco, ou seja, composto por um perfil horizontal na posição de repouso ou base para situar os coletores e dois perfis verticais ou inclinados nos extremos. Tal estrutura tem, por tanto, dois vértices (9). No caso da Figura 9B, o eixo longitudinal é entre o vértice de um lado e o eixo de simetria, quando o conjunto gira para este lado, ou entre o vértice e o outro lado do eixo de simetria quando o conjunto roda em relação ao outro lado. A estrutura de base deste último exemplo é uma plataforma ou pedestal, preferencialmente de concreto armado. O sistema da figura 9C, é um caso particular do 9B onde o eixo longitudinal se mantém sempre fixo ao eixo de simetria. .

[0025] O acionamento do giro da estrutura de fixação, para os casos descritos nas figuras 9B e 9C, deve preferencialmente mediante suporte telescópicos que ao variar de longitude fazem com que a estrutura de fixação se incline para um lado ou outro ao redor de um eixo longitudinal. Esses sistemas telescópicos podem ser hidráulicos, ou elétricos e funcionar através de um sistema de energia ou "sem fim". Outra forma de acionamento é através de um motor com um redutor fixo atuando no eixo de giro. .

[0026] Exemplos de materiais para os diversos elementos do sistema de suporte são: aço para estruturas de fixação e ligação, podendo ser também de alumínio ou termoplástico e concreto armado e metal para a estrutura de base. Exemplo de realização preferencial

[0027] Em um exemplo preferível, os sistemas de captação podem ser montador de forma contínua na direção norte-sul, para formar módulos. Cada módulo se define como um conjunto de sistemas de acionamento compartilhado (Figura 6).

[0028] O movimento leste-oeste, para o exemplo da estrutura de fixação, se produz ao redor de um eixo imaginário paralelo à lente (eixo longitudinal) e situado aproximadamente no centro de gravidade do conjunto, de maneira que seja um giro equilibrado.

[0029] Um laço estará formado por um conjunto de módulos unidos em série para conseguir um salto de temperatura determinado. O sistema se compõe de uma lente de Fresnel que pode estar formada por várias partes, um coletor e dois conjuntos de estrutura de base, estrutura de fixação e estrutura de ligação. Ao unir vários sistemas sucessivos, cada dois sistemas compartem um conjunto de estruturas de base, fixação e ligação (Figura 6).

[0030] A ligação entre a estrutura de base (7) e a de fixação pode ser principalmente de dois tipos: uma orientação circular, através de rolos que permitam o deslocamento entre estrutura e orientação, mantendo o eixo do círculo da estrutura (eixo longitudinal) sempre na mesma posição e com rolos ou para- choques que não permitem outro movimento nem a separação da estrutura em relação à orientação ou a uma orientação plana horizontal, mover a estrutura de fixação por meio de roda na superfície.

[0031] Em ambos os casos a base (7), está composta, preferencialmente, de peças de concreto, fixadas ao solo, através de sapatas. Tais peças, apresentariam forma de paralelepípedo com uma cavidade em forma de setor circular na face superior para o primeiro caso explicado anteriormente, e o paralelepípedo com faces contínuas no segundo caso.

[0032] As peças de concreto se completariam com as orientações e elementos necessários, que somente permitem o movimento de giro, impedindo deslocamentos laterais e revoltas.

Claims

1. CONCENTRADOR SOLAR equipado com pelo menos uma lente de concentração linear (3), ao menos um coletor (4) e um sistema de suporte e rastreamento que compreende ao menos duas estruturas de fixação (1) adaptadas para girar em torno de um primeiro eixo longitudinal, caracterizado por o dito sistema de suporte e rastreamento compreender adicionalmente ao menos duas estruturas de ligação (2) para fixar o ao menos um coletor (4) e a pelo menos uma lente de concentração linear (3), cada uma das pelo menos duas estruturas de ligação (2) sendo fixadas de modo rotativo por dois pontos (5) a uma das pelo menos duas estruturas de fixação (1) e capazes de rodar em relação a um segundo eixo transversal que passa por esses dois pontos (5) e é perpendicular ao primeiro eixo longitudinal, de maneira que quando as pelo menos duas estruturas de ligação (2) giram em torno do segundo eixo transversal, a pelo menos uma lente (3) e o pelo menos um coletor (4) se movem em direções paralelas e opostas para variar a distância relativa entre a pelo menos uma lente (3) e o pelo menos um coletor (4).

2. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada estrutura de ligação (2) possui articulações nos pontos (5) de ligação com o pelo menos um coletor (4), a pelo menos uma lente (3) e as pelo menos duas estruturas de fixação (1).

3. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por incorporar um marco para dar suporte a pelo menos uma lente (3) e uni-la à estrutura de ligação (2) através das articulações.

4. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser equipado com um único coletor (4) e uma única lente (3) e onde a estrutura de fixação (1) e o coletor (4) são solidários, o primeiro eixo longitudinal coincide com o eixo do coletor (4) e a estrutura de ligação (2) está munida de um contrapeso (8).

5. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de ligação (2) e a estrutura de fixação (1) têm forma de arco de circunferência e o primeiro eixo longitudinal é paralelo ao eixo do coletor (4).

6. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de ligação (2) tem forma retangular, de "V" ou de "U", a estrutura de fixação (1) tem forma de arco de circunferência e o primeiro eixo longitudinal é paralelo ao eixo do coletor (4).

7. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as estruturas de fixação (1) e as estruturas de ligação (2) têm forma de “V” e o primeiro eixo longitudinal passa pelo vértice da estrutura de fixação (1).

8. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender ao menos duas lentes (3) e dois coletores (4) e onde a estrutura de ligação (2) tem forma de barco ou serra.

9. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a estrutura de fixação (1) tem forma de barco, e onde o primeiro eixo longitudinal está entre um vértice (9) e o eixo de simetria do concentrador.

10. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a estrutura de fixação (1) tem forma de barco e o primeiro eixo longitudinal de giro coincide com o eixo de simetria do concentrador.

11. CONCENTRADOR SOLAR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma lente (3) é do tipo "Fresnel" linear esférica.