ES2259254A1 - Tubo envolvente para colectores solares. - Google Patents

Abstract

Los colectores parabólicos de ranura están constituidos por un espejo (1) de forma parabólica uniaxial y por un tubo de recepción (2), que está dispuesto en el punto focal (F) del espejo parabólico (1). El tubo de recepción (2) está constituido por un tubo de absorción (4) y por un tubo envolvente exterior (3) de vidrio. En los colectores parabólicos de ranura se producen errores de enfoque y, por lo tanto, pérdidas ópticas condicionadas por la geometría. Para reducir esta pérdida, se propone prever en el tubo envolvente (3) una estructura (9a, b, c), que enfoca, bajo difracción y/o refracción la luz solar sobre el tubo de absorción (4) que está dispuesto en el tubo envolvente (3).

Description

Tubo envolvente para colectores solares.

La invención se refiere a un tubo envolvente para colectores solares, especialmente para colectores parabólicos de ranura. Además, la invención se refiere a un tubo de recepción así como a un colector parabólico de ranura.

Los colectores parabólicos interiores están constituidos por un espejo formado parabólicamente uniaxial y por un tubo de recepción, que está dispuesto en el punto focal del espejo parabólico. Los espejos tienen habitualmente una anchura de 5 a 6 m. El tubo de recepción está constituido por un tubo parcial interior recubierto con preferencia de forma selectiva para la radiación, llamado también un tubo absorbente, y por un tubo envolvente exterior de vidrio para el aislamiento. El espejo y el espejo de recepción siguen la trayectoria de los rayos, de manera que la irradiación solar se realiza siempre en la dirección perpendicular del plano de la abertura y de forma ideal toda la radiación que incide sobre el espejo es desviada sobre el tubo de recepción.

Debido a diferentes factores, se producen errores de enfoque en los colectores parabólicos de ranura y, por lo tanto, pérdidas ópticas condicionadas geométricamente. Así, por ejemplo, los elementos de espejo presentan en sí ciertas tolerancias generales de la forma o también ondulaciones, que conducen a errores de enfoque. La colocación de los elementos de espejo durante el montaje solamente es posible dentro de ciertas tolerancias. También en el caso de la construcción de acero, sobre la que están constituidos los colectores parabólicos interiores, deben tenerse en cuenta tolerancias de fabricación y de montaje así como deformaciones propias. No en último término, dado el caso, también el viento existente conduce a una deformación de toda la construcción y, por lo tanto, a errores de enfoque.

Hasta ahora se ha intentado reducir al mínimo las pérdidas ópticas a través del desenfoque con la ayuda de concentradores secundarios instalados en el tubo de recepción. Así, por ejemplo, ya se ha investigado experimentalmente la utilización de un reflector secundario plano. Otra disposición de una ranura parabólica con un concentrador secundario en forma de un reflector metálico se describe en el documento WO 97/00408. En H. Price y col., Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 124, páginas. 109-125 (2002) se utiliza una chapa en forma de zig-zag como concentrador secundario.

Cuando se utiliza para el concentrador secundario un material de alta capacidad de reflexión, por ejemplo una chapa pulida, es conveniente colocarlo dentro del tubo envolvente a vacío para protegerlo frente a la contaminación y el envejecimiento. En este caso, el concentrador secundario o bien se puede fijar en el tubo envolvente o en el tubo de absorción. A través de la colocación del concentrador secundario fuera del tubo de absorción sobre el lado alejado del espejo se obtiene una sombra del tubo absorbente. Cuando el concentrador secundario es más ancho que el tubo de absorción, se ensombrece también una parte del espejo. Si se fija el concentrador secundario en el tubo envolvente, entonces se pierde la parte de la radiación, que incide sobre el lado del concentrador secundario que está alejado del espejo, puesto que el tubo envolvente y el tubo de absorción están desacoplados térmicamente. Una posibilidad para utilizar esta parte de la radiación consiste en fijar el concentrador secundario en el tubo de absorción y volverlo absorbente sobre el lado alejado del espejo. De esta manera se puede utilizar más radiación. Sin embargo, al mismo tiempo se incrementan también las pérdidas térmicas a través del aumento de la superficie de absorción.

La elevación del factor de intercepción (porción de los rayos, que inciden sobre el tubo de absorción), que se consigue a través de la utilización de un concentrador secundario, debe obtenerse con pérdidas de radiación en virtud de los inconvenientes mencionados. Por lo tanto, en la suma no se pueden conseguir mejoras significativas del factor de intercepción.

El cometido de la presente invención es poner a disposición un tubo envolvente para colectores solares, especialmente para colectores parabólicos de ranura así como un tubo de recepción y un colector parabólico de ranura, que presenta un factor de intercepción lo más alto posible.

Este cometido se soluciona a través de un tubo envolvente según la reivindicación 1, un tubo de recepción según la reivindicación 10 y un colector parabólico de ranura según la reivindicación 12.

A través de la estructura de enfoque sobre el tubo envolvente se consigue que los rayos que habían entrado y habían salido de nuevo desde determinadas zonas angulares a través de un tubo envolvente liso, sin incidir sobre el tubo de absorción, sean desviados ahora directamente sobre la superficie del tubo de absorción. Esto se refiere especialmente a rayos que, procediendo desde las regiones exteriores del espejo parabólico, inciden sobre el tubo envolvente, así como a rayos que, procediendo directamente desde el sol, inciden sobre el tubo envolvente. La estructuración óptica del tubo envolvente proporciona para las regiones angulares mencionadas una ampliación óptica del dispositivo de absorción igual a efecto de una lupa. En función del tamaño y de la distribución espacial de los errores de espejo se puede conseguir una elevación del rendimiento óptimo de 1 al 3% aproximadamente.

En el caso de errores mayores de espejo o de montaje, puede llevar a ser todavía mayor la elevación del rendimiento óptico. En el caso de utilización de un tubo envolvente según la invención, se pueden tolerar, por lo tanto, tolerancias más elevadas en la fabricación del espejo y el montaje, lo que conduce a una reducción clara de los costes.

Otra ventaja del tubo envolvente según la invención consiste en que la carga térmica se distribuye de una manera aproximadamente uniforme sobre el tubo de absorción. En efecto, los colectores parabólicos de ranura tienen la propiedad desfavorable de que el lado del tubo de absorción, que está dirigido hacia el espejo, irradia mucho más fuertemente que el lado alejado del espejo. De esta manera, se producen, en general, gradientes de temperatura sobre la periferia del tubo, que conducen de nuevo a tensiones del material y deformación del tubo. A través del enfoque especialmente de los rayos que inciden directamente sobre el tubo envolvente y de los rayos alejados del eje sobre el tubo de absorción se irradia algo más fuerte también el lado del tubo de absorción que está alejado del espejo.

La estructuración de enfoque del tubo envolvente puede corresponder con preferencia a una pluralidad de lentes o a una pluralidad de poliedros, de una manera especialmente preferida a una pluralidad de prismas. Tales elementos ópticos tienen la propiedad de enfocar sobre el interior del tubo envolvente y, por lo tanto, sobre el tubo de absorción.

En el caso de la estructuración de enfoque se puede tratar de una lámina estructurada de forma correspondiente, que está colocada sobre el lado interior o el lado exterior del tubo envolvente. La aplicación sobre el lado exterior se puede realizar más fácilmente, visto desde el punto de vista técnico de la fabricación. Para proteger la lámina frente a las influencias atmosféricas y la contaminación puede ser conveniente fijar la lámina más bien sobre el lado interior del tubo envolvente. Durante la fijación de la lámina hay que tener en cuenta que la lámina se acopla ópticamente al tubo envolvente. Por ejemplo, se puede encolar o laminar encima.

En una forma de realización preferida, en el tubo envolvente se trata de un tubo de vidrio estirado. En los tubos de vidrio estirados, la estructuración de enfoque es constante en la dirección longitudinal del tubo envolvente. Se obtendría, por ejemplo, una estructuración del tipo de lente a través de una estructuración de forma ondulada de la pared interior y/o de la pared exterior del tubo de vidrio. Se obtendría una estructuración del tipo de prisma a través de una estructuración esencialmente en forma de dientes de sierra de la pared interior y/o de la pared exterior del tubo de vidrio. En la estructuración del tipo de prisma hay que observar en la práctica que solamente se puede evitar un redondeo de los prismas en el marco de las posibilidades tecnológicas.

De una manera más preferida, el tubo envolvente presenta una capa anti-reflexiva sobre el lado interior y/o sobre el lado exterior. De esta manera, se garantiza que se desvíe una porción máxima de la radiación que incide sobre el tubo envolvente también sobre el tubo de absorción y no se refleje hacia el exterior.

Se ha probado que es ventajoso prever las regiones estructuradas solamente sobre al menos un segmento. Por ejemplo, la estructuración se interrumpe parcialmente sobre el lado dirigido hacia el sol en la región en la que los rayos inciden sin desviación sobre el dispositivo de absorción a través de la estructuración de enfoque del tubo envolvente. De manera especialmente preferida, la estructuración está constituida por dos tiras, que están dispuestas simétricamente en una región angular de 20º a 105º, de una manera muy especialmente preferida en una región angular de 35º a 65º con respecto al eje perpendicular de la ranura parabólica en el tubo envolvente.

En una forma de realización preferida del colector parabólico de ranura, la distancia entre el espejo parabólico y el tubo de recepción se reduce aproximadamente en la mitad de la distancia entre el tubo envolvente y el tubo de absorción, con lo que se desplaza el punto focal hacia arriba. De esta manera se reducen las pérdidas a través de rayos, que no aciertan con el tubo de absorción, en el que pasan por debajo del tubo de recepción, a saber, entre el tubo de recepción y el espejo. Esto conduce a que la carga térmica sea distribuida de una manera uniforme sobre el tubo de absorción, a partir de lo cual resulta un gradiente reducido de la temperatura sobre la periferia del tubo y, por lo tanto, deformaciones y tensiones el material más reducidas en el tubo de absorción.

La invención se explica en detalle con la ayuda de los dibujos siguientes. En este caso:

La figura 1 muestra un esbozo esquemático de un colector parabólico de ranura.

La figura 2 muestra el paso de los rayos. en un tubo de recepción.

La figura 3 muestra el paso de los rayos en un colector parabólico de ranura.

La figura 4 muestra un tubo de recepción con tubo envolvente segmentado.

Las figuras 5 a, b, c muestran tubos envolventes con estructuras de enfoque.

La figura 6a muestra el paso de los rayos para rayos marginales en un tubo de recepción convencional.

La figura 6b muestra el paso de los rayos para rayos alejados del eje en un tubo de recepción según la invención.

La figura 7a muestra el paso de los rayos en un tubo de recepción convencional para rayos que inciden directamente desde el sol.

La figura 7b muestra el paso de los rayos en un tubo de recepción según la invención para rayos que inciden directamente desde el sol.

La figura 8a muestra el factor de intercepción local en función de la distancia con respecto al eje óptico, y

La figura 8b muestra el factor de intercepción en función del ángulo de incidencia y

La figura 9 muestra la disposición de un tubo de recepción en un colector parabólico de ranura.

En la figura 1 se representa un espejo parabólico 1 y un tubo de recepción 2, donde el tubo de recepción 2 está dispuesto en el punto focal del espejo parabólico 1. La radiación incide desde el lado dirigido hacia el sol siempre en la dirección perpendicular, puesto que el espejo 1 y el tubo de recepción 2 siguen exactamente la posición del sol. Sobre el lado del tubo de recepción 2 dirigido hacia el espejo 1, la radiación incide bajo un ángulo entre 160º y 180º. Los ángulos de incidencia de la radiación están indicados por medio de las flechas.

En la figura 2 se representa un tubo de recepción 2, que está constituido por el tubo envolvente 3 y el tubo de absorción 4. En los haces de rayos 5, 5' y 6, 6' se trata de rayos próximos al eje 6, 6' y rayos alejados del eje 5, 5', que atraviesan el tubo envolvente 3, sin incidir en el tubo de absorción 4.

En la figura 3 se representa a modo de ejemplo el error de enfoque en virtud de una deformación del espejo. Las pérdidas se producen principalmente en la región exterior del espejo parabólico 1, puesto que repercuten más fuertemente los errores en virtud de la distancia mayor con respecto al tubo de recepción. Comparada con la extensión de los rayos en el caso de un rayo 7 próximo al eje (medido con respecto al eje óptico 0), la extensión de los rayos conduce, en el caso de un rayo 8 alejado del eje, en virtud de la distancia mayor entre el espejo 1 y el receptor 2, a una sección transversal mayor del rayo. En general, la deformación del espejo 1 es mayor en el borde que en el centro en virtud de la distribución más desfavorable de la carga. De esta manera, el error del espejo aumenta adicionalmente a medida que se incrementa la distancia con respecto al eje óptico 0. Los errores de enfoque tienen diversas consecuencias: los rayos 8, que inciden desde la región marginal del espejo 1 sobre el tubo envolvente 3, pasan a través de éste, en parte sobre el lado superior, alejado del espejo. Los rayos 7, que proceden desde el centro del espejo, inciden en el receptor 2 casi sin pérdidas. Los rayos, que pasan a través del tubo envolvente 3, antes de que incidan en el espejo 1, inciden, en parte, en el tubo de absorción 4. Otra parte abandona el tubo envolvente 3, sin incidir en el tubo de absorción 4 y se desvía sobre el espejo 1. No obstante, a través del tubo 3 se desvían los rayos en una medida tan fuerte que no aciertan en el tubo de absorción 4 después de la reflexión en el espejo 1.

En la figura 4 se representa un tubo de recepción 2, que está constituido por un tubo de absorción 4 y por un tubo envolvente 3 estructurado en ciertos segmentos. En los ejemplos mostrados en la figura 4, la estructuración ha sido omitida en la región a, en la que los rayos que inciden directamente desde el sol inciden también sin desviación adicional sobre el tubo de absorción 4. Además, la estructuración ha sido omitida en la región del tubo envolvente 3 que está dirigida hacia el espejo. Puesto que allí el espacio angular de irradiación está casi relleno sobre el lado dirigido hacia el espejo, no se puede conseguir en esta región a través de la estructuración ningún incremento significativo del factor de intercepción. Especialmente en la región inferior del tubo envolvente, en la que la radiación incide desde una región angular de casi 180º, resultaría incluso una reducción local pequeña del factor de intercepción.

Se ha mostrado que debería estar presente una estructuración al menos en los segmentos designados con c, es decir, en una región angular de 35º a 65º con respecto al eje perpendicular N de la ranura parabólica. Se puede conseguir una elevación adicional del factor de intercepción cuando también los segmentos designados con b y d están provistos con una estructuración. Esto correspondería a una región angular de 20º a 105º con respecto al eje perpendicular N de la ranura parabólica. De esta manera se puede conseguir, con una suposición de un error del espejo de 4-5 mrad, una elevación del factor de intercepción de hasta un 3%.

En las figuras 5 a-c se representan a modo de ejemplo formas de realización concretas de tubos envolventes estructurados 3 en la sección transversal. Todos los tres tubos envolventes 3 muestran una estructuración 9 solamente en determinadas regiones angulares. En la figura 5a se representa una estructuración 9a en forma de lente, en la figura 5b se representa una estructuración 9b en forma de prisma y en la figura 5c se representa una estructuración 9c en forma de zigzag, que está configurada con respecto a un factor de intercepción optimizado. Las superficies límite están elegidas de tal forma que con un ángulo de incidencia y un error del espejo determinados se consigue un enfoque lo más alto posible sobre el tubo de absorción.

En la figura 6a se representa el paso de los rayos en un tubo de recepción que está constituido por un tubo envolvente 3 de vidrio de un espesor finito y por un tubo de absorción 4. En este caso se trata de un paso de los rayos de un haz de rayos alejado del eje. Especialmente en la parte del tubo envolvente alejada del espejo, rayos individuales inciden en el tubo envolvente 3', que no inciden sobre el tubo de absorción 4. Por otra parte, se puede reconocer el efecto de desenfoque ligero del tubo envolvente 3'. Es provocado a través del espesor finito del tubo envolvente 3 y a través del índice de refracción diferentes del vidrio y del aire o bien del vidrio y del vacío. En la figura 6b, el tubo envolvente 3 está provisto sobre el lado interior del tubo envolvente con una estructura de dientes de sierra, que está especialmente marcada en las regiones angulares de 90º a 20º con respecto al eje perpendicular. El perfil de diente de sierra actúa sobre actúa sobre los rayos incidentes alejados del eje como un dispositivo de prismas, que desvían una gran parte de los rayos que, en otro caso, inciden desenfocados, sobre el tubo de absorción 4.

En las figuras 7a y 7b se comparan las mismas disposiciones que en las figuras 6a y 6b para rayos que inciden directamente desde el sol sobre el tubo de recepción 2 que está constituido por el tubo envolvente 3 y el tubo de absorción 4. La relación de los rayos, que inciden sobre el tubo de absorción 4 y que pasan por delante del mismo, corresponde a la relación de las áreas de la sección transversal en la sección longitudinal a través del tubo de absorción 4, por una parte, y a través del tubo envolvente 3, por otra parte (figura 6a). Además, en el caso de incidencia en la dirección perpendicular, se muestra de una manera especialmente clara el efecto de desenfoque del tubo envolvente 3'. En efecto, en el caso de empleo de un tubo envolvente 3 según la invención, tampoco todos los rayos son desviados sobre el tubo de absorción 4. No obstante, se puede elevar en una medida significativa la proporción de los rayos que inciden en el tubo de absorción 4 en los rayos que inciden en el tubo envolvente 3.

Este efecto se ilustra también con la ayuda de los gratos de las figuras 8a y 8b. En la figura 8a se representa el factor de intercepción local en porcentaje en función de la distancia con respecto al eje óptico en milímetros. La línea continua corresponde a un tubo envolvente no estructurado convencional. La línea de trazos corresponde a un tubo envolvente según la invención con estructura de enfoque. Se o puede reconocer claramente la elevación del factor de intercepción en el caso de una radiación que incide directamente desde el sol (distancia con respecto al eje óptico cerca de 0 mm) y en la región alejada del eje aproximadamente a una distancia de 2000 mm de la instalación óptica. También en función del ángulo de incidencia con respecto al eje perpendicular (figura 8b) se puede elevar el factor de intercepción a través de la estructura de enfoque del tubo envolvente entre aproximadamente 1% (ángulo de incidencia entre 0º y 10º) y 3% (ángulo de incidencia entre 50º y 60º).

En la figura 9 se representa de forma esquemática una disposición preferida del tubo de recepción 2 que está constituido por el tubo envolvente 3 y el tubo de o absorción 4 con respecto al espejo parabólico 1. Habitualmente el tubo de recepción 2 está dispuesto (con trazos) en el punto focal F. Pero para reducir el número de los rayos, que no aciertan con el tubo de absorción, extendiéndose por debajo del tubo de recepción 2, se dispone el tubo de recepción desplazado en la medida de la mitad de la distancia d entre el tubo envolvente 3 y el tubo de absorción 4 desde el punto focal F en la dirección del espejo parabólico 1.

Se ha revelado que es conveniente que el tubo envolvente presente la estructura 9a, 8b, 9c en la región periférica, sobre la que inciden los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico, estando configurada la estructura de tal forma que los rayos reflejados por los bordes exteriores del espejo o parabólico son enfocados sobre el tubo de absorción 4, siendo ventajoso que la estructura 9a, 9b, 9c esté configurada de tal forma que los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico 1 sean enfocados sobre el tubo absorbente 4.

En el colector parabólico de ranura es favorable, además, que el tubo envolvente 3 presente la estructura 9a, 9b, 9c en la región periférica b, c, d, sobre la que inciden los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico, de modo que la estructura esté configurada de tal forma que los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico 1 sean enfocados sobre el tubo absorbente 4.

Claims (14)

1. Tubo envolvente (3) para colectores solares, especialmente para colectores parabólicos de ranura, caracterizado porque presenta una estructura (9a, 9b, 9c), que enfoca la luz solar, bajo difracción y refracción, sobre un tubo de absorción que está dispuesto en el tubo envolvente.

2. Tubo envolvente según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura (9a) corresponde a una pluralidad de lentes.

3. Tubo envolvente según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura (9b, 9c) corresponde a una pluralidad de poliedros.

4. Tubo envolvente según la reivindicación 1 ó 3, caracterizado porque la estructura (9b, 9c) corresponde a una pluralidad de prismas.

5. Tubo envolvente según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque presenta una lámina estructurada aplicada.

6. Tubo envolvente según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque presenta una estructura constante (9a, 9b, 9c) en la dirección longitudinal.

7. Tubo envolvente según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la estructura (9a, 9b, 9c) está limitada a al menos un segmento (b, c, d) del tubo envolvente.

8. Tubo envolvente según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque presenta una capa anti-reflexiva.

9. Tubo envolvente según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque presenta una estructura (9a, 9b, 9c) en la región periférica, sobre la que inciden los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico, estando configurada dicha estructura de tal forma que los rayos reflejados por los bordes exteriores del espejo parabólico son enfocados sobre el tubo de absorción (4).

10. Tubo de recepción (2) con un tubo envolvente (3) según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque tiene un tubo de absorción (4) que está dispuesto en él.

11. Tubo de recepción (2) según la reivindicación 10, caracterizado porque el tubo envolvente (3) presenta la estructura (9a, 9b, 9c) en la región periférica (b, c, d), sobre la que inciden los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico (1), estando configurada la estructura (9a, 9b, 9c) de tal forma que los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico (1) son enfocados sobre el tubo absorbente (4).

12. Colector parabólico de ranura caracterizado porque está constituido por un espejo parabólico (1) y por un tubo de recepción (2) dispuesto en el punto focal, que presenta un tubo envolvente (3) según una de las reivindicaciones 1 a 8.

13. Colector parabólico de ranura según la reivindicación 10, caracterizado porque el tubo de recepción (2) está dispuesto desplazado en la medida de la mitad de la distancia entre el tubo envolvente (3) y el tubo de absorción (4) desde el punto focal (F) en la dirección del espejo parabólico (1).

14. Colector parabólico de ranura según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque el tubo envolvente (3) presenta la estructura (9a, 9b, 9c) en la región periférica (b, c, d), sobre la que inciden los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico (1), estando configurada la estructura de tal forma que los rayos reflejados desde los bordes exteriores del espejo parabólico (1) son enfocados sobre el tubo absorbente (4).