ES2227197T3 - Concentrador solar de doble reflexion.. - Google Patents

Concentrador solar de doble reflexion..

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Abstract

Un concentrador solar que comprende: ¿ Una superficie (52) reflejante primaria (52), siendo dicha superficie parte de una superficie (30) parabólica que tiene una línea focal asociada y un plano directriz, y ¿ Una superficie (54) reflejante secundaria, caracterizado por dichas superficies reflejantes primaria (52) y secundaria (54) que están conectadas, siendo plana dicha superficie (54) reflejante secundaria y estando situada entre dicha línea focal y dicha superficie (52) reflejante primaria de manera tal que la luz (40) incidente reflejada en dicha superficie (52) reflejante primaria hacia dicha línea focal se refleja en dicha superficie (54) reflejante secundaria hacia una línea focal secundaria sobre dicha superficie (30) parabólica.

Description

Concentrador solar de doble reflexión.
Antecedentes de la invención Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a concentradores solares y a sistemas captadores solares. Más particularmente, la presente invención se refiere a un concentrador solar lineal que utiliza una parte de un arco parabólico para una primera superficie de reflexión y una superficie de reflexión secundaria plana para concentrar energía solar de una manera sustancialmente lineal sobre una parte predeterminada de la primera superficie de reflexión.
Descripción de la técnica afín
Los concentradores solares funcionan captando luz solar en un área grande y concentrando luz solar en un área menor. Hay técnicas identificables para convertir la energía solar en formas utilizables, pero que la energía solar sea captada y convertida a una escala sustancial o no, está controlado por la economía. Si el coste de instalación y mantenimiento de un sistema de captación de energía solar es menor que las alternativas, en ese caso es posible el uso amplio del sistema de captación de energía solar. El grueso del coste de los sistemas de captación de energía solar es el de la inversión inicial. Por lo tanto, los sistemas solares deben comenzar a autofinanciarse cuando se utiliza el sistema.
Actualmente, existen concentradores solares lineales grandes. Un ejemplo está expuesto en la patente de EE. UU. nº. 4.365.616 que describe un captador de energía solar de alineación automática que mantiene su posición dando frente al sol durante los cambios diarios y estacionales del sol. La figura 1 representa un concentrador lineal ejemplar de la técnica anterior. El concentrador representado fue el resultado del proyecto EUCLIDES que fue subvencionado por la Unión Europea. Partes del seno parabólico doble proyectan una radiación en haz sobre una tira de células solares situadas linealmente a lo largo de la línea focal de las partes del seno parabólico doble. Los inconvenientes de este tipo de concentrador lineal de la técnica anterior se refieren al tamaño y a la forma del concentrador así como a la situación de la línea focal. La geometría de este tipo de concentradores requiere que el seno lineal esté instalado en alto por encima del suelo con el fin de focalizar la energía solar en las líneas focales del seno. Las superficies parabólicas se convierten en una gran "vela" y requieren un soporte sustancial para su sujeción adecuada contra la fuerza de vientos intensos. La forma parabólica singular del concentrador no es fácilmente reforzable y se retuerce o se dobla con facilidad perdiendo su necesaria forma parabólica de manera tal que la energía solar reflejada no incide en el conglomerado de células solares preestablecido.
Además, la colocación de la línea focal de los captadores solares requiere su propia estructura de soporte aparte de manera tal que los captadores solares se mantengan sobre la línea focal asociada con cada concentrador solar parabólico.
La refrigeración de los captadores solares es una tarea difícil debido al movimiento de la línea focal cuando el seno parabólico lineal sigue el movimiento del sol. La línea focal se desplazará a lo largo de un arco definido a medida que el captador de seno parabólico lineal representado gira sobre una línea paralela a la línea focal. Tal situación requiere piezas de tubería flexibles que conecten con el área de captación solar. La tubería flexible lleva un refrigerante, tal como agua, para refrigerar los dispositivos captadores solares mientras la energía solar se concentrada sobre ellos. La tubería flexible tiende a agrietarse, degradarse y a perder cuando se usa en las condiciones de la intemperie. Por lo tanto, uno de los costes principales de reparación de los sistemas concentradores/captadores de la técnica anterior es la reparación y el mantenimiento de la tubería flexible asociada para refrigerar el área del captador del concentrador solar.
Lo que se necesita es una configuración del concentrador solar que tenga un coste de fabricación relativamente bajo, que sea estructuralmente más rígido que un seno parabólico lineal simple, que gire sustancialmente alrededor de la línea focal del concentrador lineal para eliminar efectivamente la necesidad sustancial de tubería de refrigeración flexible y que mantenga un perfil próximo al suelo de manera tal que sea menor la probabilidad de que la estructura del concentrador solar sufra daños debido a los fuertes vientos.
Sumario de la invención
La presente invención supera los problemas anteriores y otros ofreciendo un tipo de concentrador solar de seno lineal de reflexión doble que es de fabricación relativamente económica y que presenta una estructura que es sustancialmente más rígida que una superficie parabólica simple.
Las realizaciones ejemplares de la presente invención presentan un concentrador solar de reflexión doble que comprende una superficie parabólica primaria y una superficie plana secundaria. La luz incidente se refleja en la superficie parabólica primaria hacia la línea focal natural de la superficie parabólica. Antes de alcanzar la línea focal natural, la luz incidente se refleja en la superficie plana secundaria hacia una línea focal secundaria que está situada sustancialmente sobre la superficie parabólica primaria. La trayectoria óptica da lugar a un campo de visión más estrecho en el receptor que puede mejorar los costes de algunos dispositivos del receptor. El reflector primario actúa también para redirigir ligeramente la luz solar desenfocada hacia el receptor lo que reduce los requisitos de precisión en la puntería del sistema. Además, esta técnica de enfoque permite que el concentrador solar siga el movimiento del sol girando sustancialmente sobre la línea focal del seno de reflexión doble ejemplar. Un sistema de refrigeración situado en la línea focal puede refrigerar los captadores solares. Dado que la línea focal es sustancialmente fija, se elimina sustancialmente la tubería flexible para refrigerar el área alrededor de la línea focal.
Además, los concentradores solares ejemplares de acuerdo con la presente invención están estructurados para comprender un perfil próximo al suelo de manera tal que se limitan los efectos del viento. Dicho diseño de perfil bajo elimina la necesidad de un soporte estructural de refuerzo propia de la técnica anterior.
Breve descripción de los dibujos
El procedimiento y el aparato de la presente invención se podrán entender de manera más completa haciendo referencia a la siguiente Descripción Detallada considerada junto con los Dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es un concentrador solar de seno parabólico de la técnica anterior;
La figura 2 es una parábola genérica y su foco;
La figura 3 representa una sección de una curva parabólica;
La figura 4 representa una parte ejemplar de una curva parabólica con luz reflejándose en la superficie parabólica;
La figura 5 representa una vista lateral de un concentrador solar parabólico de reflexión doble ejemplar;
La figura 6 representa una vista más cercana de la figura 5;
La figura 7 representa otra realización ejemplar de un concentrador solar de doble reflexión que comprende una segunda superficie parabólica;
La figura 8 representa un concentrador solar de doble reflexión con una segunda superficie parabólica que, como se representa posteriormente, refleja la luz a través de la segunda superficie parabólica;
La figura 9 representa otro concentrador solar de doble reflexión ejemplar con concentrador de incidencia rasante;
La figura 10 representa ejemplarmente configuraciones "abierta" y "cerrada" de concentradores solares de doble reflexión ejemplares;
La figura 11 representa varios concentradores solares de doble reflexión ejemplares que tienen la línea focal del concentrador cerca de la parte inferior de la sección parabólica; y
La figura 12 representa una vista tridimensional de un concentrador solar de doble reflexión ejemplar montado sobre una estructura de soporte;
Descripción detallada de las realizaciones ejemplares preferidas de la presente invención
Las realizaciones preferidas presentan un concentrador solar de doble reflexión que tiene propiedades ópticas y de construcción útiles que contribuyen por sí mismas a reducir los costes de construcción, los costes de instalación y los costes de operación.
Los concentradores ejemplares comprenden geométricamente una parte predeterminada de espejo parabólico. Una segunda superficie reflejante permite que la luz se focalice sobre y a lo largo de una parte predeterminada de la superficie del espejo parabólico.
La figura 2 representa una forma 10 parabólica genérica tradicional y un punto 12 focal. Una parábola es el conjunto de puntos de un plano que son equidistantes de un punto focal y de una línea del plano (la línea se denomina a veces directriz). Las realizaciones ejemplares de la presente invención utilizan una parte del arco 10 parabólico. Se entiende que virtualmente todo arco parabólico (ecuación parabólica) puede ser utilizado en la presente invención. La figura 3 representa una sección del arco 30 parabólico y su foco 12. La figura 4 representa una luz 40 incidente que incide sobre una superficie de la sección de arco 30 parabólico y que se refleja en una superficie reflejante (no se muestra específicamente) hacia el foco 12 de la sección 30 de arco parabólico.
Las figuras 5 y 6 representan una primera realización del presente concentrador 50 solar de doble reflexión. Una primera superficie 52 de reflexión comprende una parte predeterminada de una curva 30 parabólica. Una segunda superficie 54 reflejante es perpendicular a una directriz asociada con la curva parabólica. La curva parabólica ejemplar está normalizada de manera tal que el punto 12 focal está situado en X = 0,
Y = 2 y la segunda superficie reflejante está situada en X = 2.
La luz 40 incidente se refleja en la superficie 52 primaria y se dirige hacia el punto 12 focal. Antes de alcanzar el punto 12 focal, la luz incidente se refleja en la superficie 54 secundaria y es focalizada en el foco 56 secundario. La superficie 54 reflejante secundaria está situada, preferiblemente, sobre la curva parabólica de la superficie 52 reflejante primaria. En la realización ejemplar los puntos 12, 56 focales primario y secundario están situados cada uno en la misma posición de ordenada Y.
Situando la superficie 54 secundaria entre la superficie 52 reflejante primaria (la curva parabólica) y el foco, la superficie 54 secundaria trasladará el foco a un punto igualmente distante frente a ella igual que el punto 12 focal detrás de ella. Por consiguiente, si la superficie 54 secundaria se sitúa en una posición X igual que la posición Y en altura del foco 12, el foco se trasladará a un punto 56 focal secundario situado sobre la curva parabólica y la superficie 52 reflejante primaria. La figura 5 representa el foco 56 secundario que va a estar sobre la superficie primaria directamente a la derecha del foco 12. La luz 40 incidente que se focaliza en el punto 56 focal secundario debe ser perpendicular a la directriz de la curva parabólica.
Sabiendo que la figura 6 representa una sección transversal "normalizada" de un concentrador 50 solar de doble reflexión del tipo de seno, es fácil comprender que el punto 56 focal secundario es esencialmente una línea focal que se extiende a lo largo de la longitud del concentrador de doble reflexión ejemplar. Las células fotovoltaicas (PV) pueden estar situadas linealmente a lo largo de la línea focal para captar la energía solar.
La figura 7 representa otra realización ejemplar de la presente invención. La figura 7 representa un concentrador solar de doble reflexión que tiene dos superficies 70 parabólicas. Esta realización presenta un concentrador solar que tiene un perfil más compacto que la primera realización ejemplar. Un segundo reflector 72 parabólico está situado entre la superficie 52 reflejante primaria y la superficie 54 reflejante secundaria. El segundo reflector 72 parabólico tiene un punto focal que coincide con el punto 56 focal secundario. El segundo reflector 72 parabólico permite eliminar el vértice 74 reduciendo con ello la altura total del concentrador 70 parabólico de doble reflexión. La figura 8 representa una situación preferible para el segundo reflector 72 parabólico. Idealmente, el segundo reflector 72 parabólico está situado de manera tal que no interfiere con la reflexión de la luz 40 incidente cuando se refleja en la superficie 52 primaria hacia la superficie 54 secundaria. En otras palabras, la situación preferible de la segunda superficie 72 parabólica es tal que la luz incidente en la superficie 52 primaria se refleja hacia la superficie 54 secundaria sin ser oscurecida o reflejada por la segunda superficie 72 parabólica.
De nuevo, la realización 70 ejemplar está normalizada de manera tal que el foco original de la curva parabólica está en X = O, Y = 2. Un experto en la técnica podría determinar y calcular la situación de la superficie 54 reflejante secundaria y del segundo reflector 72 parabólico para una variedad de curvas parabólicas.
La figura 9 representa otra realización ejemplar de la presente invención 90 que incluye un concentrador 92 rasante situado contiguo al punto 56 focal secundario. Una superficie 94 receptora puede estar situada en el punto 56 focal secundario para captar la energía solar focalizada en ella.
El concentrador 92 rasante es sustancialmente plano y tiene un ángulo de inclinación suficiente para reflejar la luz incidente sobre la superficie receptora (célula solar) 94. El concentrador rasante usa una superficie 92 adicional y el reflector 52 primario original que permite que la luz 40 incidente que está ligeramente desenfocada, sea reflejada de nuevo hacia el punto (línea) 56 focal secundario. Esta característica permite una tolerancia inferior en el sistema de puntería del concentrador solar. Por lo tanto, con la presente realización ejemplar de la presente invención puede no ser necesario un sistema de puntería en el concentrador solar más costoso y más preciso. Además, esta realización 90 puede tener más capacidad para captar la luz difusa o dispersa que existe en los días parcialmente neblinosos o ligeramente nublados. El concentrador 92 rasante ayuda a recibir, recoger o que el PV 94 capte rayos que están ligeramente fuera de foco.
Se pueden utilizar otras realizaciones del presente concentrador solar de doble reflexión para desplazar el punto focal secundario a otras posiciones o sobre o más cerca de la superficie parabólica primaria. La figura 10 representa dos realizaciones de la presente invención en las que la superficie reflejante secundaria no es perpendicular a la directriz de la superficie parabólica o paralela al eje Y. El espaciado desde el punto 12 focal de la superficie 102a, 102b reflejante también puede cambiar. La combinación de las superficies 102a, 102b no paralelas (inclinadas) y desplazadas, desplazan el foco 56a, 56b secundario a otras posiciones que pueden ser más útiles que el foco 56 secundario original. La inclinación del foco 102a secundario puede dar lugar a que una parte de la superficie primaria sea ensombrecida 104 por la superficie 102a secundaria inclinada y producir una ineficiencia del concentrador solar ejemplar resultante.
La figura 11 representa una realización ejemplar del presente concentrador 110 solar de doble reflexión, en la que el foco 112 secundario está en la parte inferior del concentrador 110 solar. Aquí la luz 40 incidente se refleja primero en la superficie 52 primaria hacia la superficie 114 secundaria. La superficie 114 secundaria se mantiene en posición por medio de una superficie o pata 116 de soporte. La superficie 114 está situada de manera tal que no proyecta sombra sobre la superficie 52 primaria y no interfiere con la luz 40 incidente. La superficie 114 secundaria refleja la luz incidente hacia el punto 112 focal secundario en la parte inferior del seno 110 del concentrador solar.
La figura 12 representa un concentrador 120 solar ejemplar de acuerdo con la presente invención. La luz 40 incidente se refleja en la superficie 122 reflejante primaria hacia la superficie 124 reflejante secundaria y, a continuación, hacia un captador 126 situado en la línea (también 126) focal del concentrador 120 solar de doble reflexión. El captador 126 solar puede ser un dispositivo fotovoltaico u otro dispositivo de captación de energía solar. Se puede instalar un sistema de refrigeración a lo largo de la línea 126 focal o contiguo a ella. El sistema de refrigeración puede ser un tubo de fluido que lleva un fluido refrigerante tal como agua, propileno glicol, anticongelante o cualquier otro fluido aceptable.
Una estructura de soporte soporta y orienta el concentrador solar ejemplar hacia el sol de manera tal que los rayos 40 incidentes son sustancialmente perpendiculares a la directriz de la superficie 122 parabólica. La estructura de soporte preferida hace girar el concentrador 120 solar sustancialmente alrededor de la línea 126 focal. Un gato de tornillo, leva o sistema 130 hidráulico puede elevar y descender el concentrador solar ejemplar de manera tal que gira sustancialmente alrededor de la línea 126 focal en la que el concentrador está soportado giratoriamente por los elementos 132 de soporte.
Dado que el concentrador solar gira sustancialmente alrededor del punto focal del concentrador, el sistema de refrigeración no requiere tubería flexible. Además, el captador (PV) 126 puede estar montado directamente en la estructura de soporte en la línea focal del concentrador 120 solar ejemplar.
Algunas de las ventajas de las presentes realizaciones ejemplares son que la forma del seno del concentrador tiene una resistencia natural a la torsión mayor que la de una superficie parabólica plana. Se puede añadir a la estructura varillas u otros elementos de refuerzo para reforzar la estructura. Se puede colocar una cubierta 136 transparente sobre la parte superior del concentrador solar ejemplar para aumentar la rigidez del aparato y ayudar además a mantener limpias las superficies reflejantes. El concentrador solar de doble reflexión ejemplar resultante es de altura relativamente baja en general en comparación con los concentradores solares lineales de la técnica anterior.
Para fabricar un concentrador solar de doble reflexión ejemplar la superficie primaria parabólica puede ser laminada o estampada. La superficie reflejante secundaria es plana y se puede formar con la misma pieza de metal que la superficie primaria doblándola en la arista inferior.
El receptor y la tubería fijos permiten ahorros adicionales en los costes de fabricación y de operación. Como el sol cambia de posición durante todo el día o año, el concentrador solar ejemplar debe moverse para que los rayos del sol incidan siempre sobre el concentrador con el mismo ángulo. El concentrador solar ejemplar gira sustancialmente alrededor de la línea focal del concentrador. La línea focal puede estar al lado del eje de giro. De esta manera los captadores solares (PV) pueden estar fijos sobre o cerca de la superficie reflejante primaria a lo largo de la línea focal. Además, la tubería que enfría los captadores solares puede fluir a través o cerca del eje de giro fijo del captador solar eliminando con ello la necesidad de tubería flexible.

Claims (13)

1. Un concentrador solar que comprende:
Una superficie (52) reflejante primaria (52), siendo dicha superficie parte de una superficie (30) parabólica que tiene una línea focal asociada y un plano directriz, y
Una superficie (54) reflejante secundaria,
caracterizado por
dichas superficies reflejantes primaria (52) y secundaria (54) que están conectadas, siendo plana dicha superficie (54) reflejante secundaria y estando situada entre dicha línea focal y dicha superficie (52) reflejante primaria de manera tal que la luz (40) incidente reflejada en dicha superficie (52) reflejante primaria hacia dicha línea focal se refleja en dicha superficie (54) reflejante secundaria hacia una línea focal secundaria sobre dicha superficie (30) parabólica.
2. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que dicha superficie (54) reflejante secundaria es perpendicular a dicho plano directriz.
3. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que dicha superficie (54) reflejante secundaria está situada de manera tal que una línea sobre la superficie plana de dicho reflector secundario es, al mismo tiempo, paralela a dicha línea focal y equidistante de dicha línea focal y de dicha línea focal secundaria.
4. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que dicha línea focal secundaria está sustancialmente sobre dicha superficie (30) parabólica.
5. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además un captador (126) solar situado en dicha línea focal secundaria.
6. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además una estructura (132) de soporte que permite que dicho concentrador solar gire alrededor de un eje que está cerca de dicha línea focal secundaria y que es paralela a ella.
7. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además una cubierta (136) transparente a través de la cual la luz incidente puede pasar antes para contactar con dicha superficie (52) reflejante primaria.
8. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que dicha parte de dicha superficie (30) parabólica incluye una parte de la superficie entre el vértice y un punto en la intersección de la superficie y una línea perpendicular al eje y que pasa a través del punto (12) focal.
9. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que un receptor (94) solar está situado sobre dicha línea focal secundaria.
10. El concentrador solar de la reivindicación 1,
en el que un sistema de refrigeración está situado cerca de dicha línea focal secundaria.
11. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además un sistema (130) de soporte para soportar dicho concentrador solar, estando dicho sistema de soporte unido a dicho concentrador solar de manera tal que dicho concentrador solar puede girar alrededor de dicha línea focal de dicha superficie parabólica.
12. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además un concentrador (92) rasante situado paralelamente y cerca de dicha línea focal, estando adaptado dicho concentrador (92) rasante para reflejar la luz que está ligeramente desenfocada respecto de dicha línea focal secundaria.
13. El concentrador solar de la reivindicación 1,
que comprende además un segundo reflector (72) parabólico situado entre dicha primera superficie (52) parabólica y dicha superficie (54) reflejante secundaria plana, teniendo dicha segunda superficie parabólica un punto (56) focal que está situado sobre dicha línea focal secundaria.
ES01935496T 2000-05-24 2001-05-15 Concentrador solar de doble reflexion.. Expired - Lifetime ES2227197T3 (es)

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