ES2316311A1 - Colector solar cilindro-parabolico suspendido rotante con tubo absorbed0r fijo. - Google Patents

Abstract

Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante, con tubo absorbedor fijo, que va colgado de sendos pilares en sus extremos, teniendo los cabezales de dichos pilares un orificio cilíndrico horizontal, con cabida para que, concéntricamente, pase el tubo absorbedor fijo, se encastre el tubo grueso giratorio del que cuelga el colector, sin rozar con el tubo fijo, y se inserte sobre la cara interna del orificio un cojinete de rodamientos que es donde descansa el tubo grueso giratorio; existiendo otro conjunto de pilares para soporte del tubo fijo, alrededor de cuyo eje girará el colector, merced a una corona semicircular unida a su armazón, y transversal al eje del tubo, estando dentada la cara exterior de la corona, para engastarse en un tornillo sinfín, que posiciona y mantiene al colector con el giro adecuado para su enfoque al sol.

Description

Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante con tubo absorbedor fijo.

Campo de la invención

La invención se encuadra en el campo de la energía solar térmica, particularmente la que utiliza concentración de la radiación originaria para alcanzar alta temperatura en el bien útil, que generalmente se materializa en un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un ciclo termodinámico. Dentro de este campo se encuadra en los colectores cilindro-parabólicos, que concentran la radiación solar en un eje focal longitudinal en el cual se ubica un tubo absorbedor, por dentro del cual circula el fluido calorífero.

Antecedentes de la invención

Uno de los procedimientos que hoy día ya se instalan para conseguir altas temperaturas en un fluido calorífero, a partir de la radiación solar térmica, se basa en colectores cilindro-parabólicos que montan, en su eje focal parabólico, un tubo coaxial, o casi coaxial, con dicho eje focal del cilindro parabólico. Tal es el caso de la central solar térmica SEGS de California (www.fplenergy.com/portfolio/contents/segs_viii.shtml) y de varios montajes existentes en la Plataforma Solar de Almeria (www.psa.es) así como en centrales en construcción en España (Andasol, www.flagsol.com/andasol).

Estos colectores han de girar sobre su eje de sujeción, que habitualmente coincide con el ápice de la parábola (en cada sección recta) por lo que es una línea paralela al eje focal, situada a una distancia de 2 ó 3 metros según el tamaño de los colectores, que vienen a tener una apertura óptica de unos 6 metros.

En estos colectores, el tubo por el que circula el fluido calorífero está solidariamente unido al cuerpo cilindro-parabólico del colector, pues ha de estar siempre en su eje focal. Ello provoca que el tubo se desplace en un movimiento giratorio de traslación respecto del eje de sujeción del conjunto, a medida que todo el cilindro parabólico ha de girar para estar siempre orientado al sol, de tal modo que los rayos de éste sean reflejados hacia el eje focal del cilindro parabólico. A medida que el sol se mueve en su trayectoria diurna, el cuerpo del cilindro, con el tubo solidario a él en su eje focal, ha de girar, para mantener el enfoque adecuado. Si el montaje de los colectores es según el meridiano (norte-sur) el giro es de aproximadamente 180° (grados sexagesimales), desde el amanecer a la puesta de sol, restituyéndose luego el colector a la posición de amanecer. Si el montaje es este-oeste (línea del paralelo) el movimiento giratorio no es tan amplio, pues va desde 0° (horizontal local) hasta la altura del sol en su cenit, que varía con la estación del año, y adquiere su máximo al principio del verano, pudiendo llegar como mucho a 90°, aunque en latitudes peninsulares españolas es de unos 75° máximo.

En este montaje, si se quiere aprovechar la radiación solar de poco después del amanecer y poco antes del anochecer (que es muy baja) en los últimos días de primavera y primeros de verano, hace falta elevar el colector casi hasta la vertical (hablando de su plano de simetría) e incluso un poco más hacia el norte, por producirse en esas direcciones el orto y el ocaso del sol.

En todo caso, el colector ha de girar notoriamente cada día, y por ende hay el mismo problema que en el caso anterior, pues el tubo ha de girar en movimiento de traslación alrededor del eje de sujeción, que es el fijo respecto del suelo, y por tanto respecto de las instalaciones fijas, entre las cuales estará la que se usa para convertir en energía útil el calor absorbido en el tubo por el fluido calorífero. Esa instalación podrá ser una caldera o generador de vapor, y su turbina correspondiente, o la turbina directamente si el fluido es un vapor o un gas a alta presión.

A continuación se plantea el problema a resolver presente en el estado de la técnica. El antedicho giro de traslación del tubo (asociado al del cilindro en un todo) comporta un problema: debe disponerse de un acoplamiento rotativo desde los extremos del tubo absorbedor a los tubos fijos de conexión con la instalación de conversión de energía. Ello se hace actualmente mediante un tubo radial, que va de la línea del eje de sujeción al eje focal, o viceversa (según entre o salga el fluido del colector), teniendo que estar dicho tubo radial conectado al tubo del eje focal mediante una pieza tubular en forma de codo, que en un extremo tiene una junta rotativa para conectar con el tubo del eje parabólico. A su vez, una pieza en codo similar, con junta rotativa, hace falta para conectar el tubo radial con el tubo fijo que conecta con la instalación fija, generalmente a través de una red de tubos fijos, pues en una central hay habitualmente una batería de colectores en serie y paralelo, y se precisa de esa red de tubos para interconexión entre ellos y con la instalación de conversión de energía.

Ello quiere decir que en una central solar térmica de colectores cilindro-parabólicos hay decenas de juntas rotativas. Éstas suelen dar buenas prestaciones cuando la presión es baja y la temperatura moderadamente alta. Cuando la presión y/o la temperatura suben, por ser beneficioso para el rendimiento general de la central, las juntas rotativas no son tan fiables, y se pierde estanqueidad, dándose o pudiéndose dar fugas del fluido calorífero, lo cual no es sólo malo económicamente para la instalación en sí, sino que además puede tener repercusiones medioambientales y de seguridad. En todo caso, incluso si se trata de un fluido inerte, lo que queda claro es que la planta deja de funcionar en sus condiciones nominales, por pérdida de presión y de caudal, y las repercusiones económicas negativas pueden llegar a ser insoportables.

El problema a resolver, pues, es encontrar un montaje en el cual el tubo del fluido calorífero esté fijo, y a su vez esté siempre en el eje focal. Así no habría necesidad de juntas rotativas. Todas las uniones entre tubos podrían ser fijas y soldadas, con la enorme garantía que da este tipo de uniones para preservar la estanqueidad, incluso a alta presión y alta temperatura, como es en las centrales nucleares, centrales de combustión de gas natural, o refinerías de petróleo.

A continuación se describen las figuras del estado de la técnica:

La figura 1 muestra un esquema longitudinal de un colector cilindro parabólico (en adelante CCP) en el cual se señalan los siguientes elementos:

1.

Tubo del eje focal, en el cual se recibe la radiación reflejada por las paredes interiores del cilindro parabólico.

2.

Cuerpo del cilindro parabólico. Su sección recta en un plano perpendicular al eje focal, es una parábola con foco en dicho eje.

3.

Eje de sujeción del cuerpo cilindro-parabólico que es a su vez de giro para enfocar al sol.

4.

Tirantes de sujeción firme del tubo del eje focal al cuerpo del CCP.

5.

Abrazaderas de los tirantes 4. Dichas abrazaderas son así mismo fijas, no rotativas.

6.

Cojinetes de soporte del eje de sujeción y giro del CCP.

7.

Soportes de los CCP, dentro de los cuales, por mecanismo de cremallera, de cadena o de tornillo sinfín, va el actuador, activado por motor eléctrico, que gira todo el cuerpo del CCP para que enfoque al sol. Otra alternativa es que el actuador sea de tipo hidráulico, con los correspondientes pistones y bielas.

8.

Tubo fijo que se acopla a la instalación de conversión de energía, o a la red de tubos fijos de la central.

9.

Apoyos al suelo de los tubos fijos. No giran ni llevan mecanismo de giro.

10.

Piezas tubulares en forma de codo, para acoplar los tubos radiales con los tubos horizontales.

11.

Tubos radiales.

12.

Juntas rotativas de conexión de las piezas acodadas con los tubos horizontales, bien fijos (8), bien en el eje focal (1), y por ende, giratorios.

En la figura 2 se muestra un corte en sección de este tipo convencional de CCP, en el cual hay muchos elementos que se superponen en la perspectiva. El tubo del eje focal, 1, está unido solidariamente al cuerpo del cilindro 2, merced a los tirantes, 4, afirmados rígidamente al tubo por las abrazaderas, 5, no indicadas en esta figura, por la mencionada superposición, pero sí en la anterior.

Todo el cuerpo del CCP rota alrededor del eje 3, soportado en los cojinetes 6, que lo asientan en el apoyo, 7, dentro del cual va el actuador electro-mecánico o hidráulico que efectúa el giro. Superpuesto en esta figura; con el eje 3, está el tubo 8, fijo al suelo, conectado a través de una junta rotativa, 12, a las piezas tubulares en codo, 10, que conectan con el tubo radial, 11. Este último va unido a otra pieza en codo, que a su vez tiene otra junta rotativa, 12, para unirse al tubo focal, 1.

Tal como se ha mencionado anteriormente, dichas juntas rotativas son de estanqueidad problemática, cuando el fluido que va por los tubos es de alta presión, alta temperatura, o ambas, lo cual genera un problema técnico que se resuelve con la invención que aquí se propone.

Descripción de la invención

La invención consiste en desacoplar el tubo absorbedor del espejo cilindro-parabólico en cuyo eje focal debe estar siempre, dejando el tubo permanentemente fijo y sin girar. Para ello, el espejo cilindro-parabólico sí ha de girar en su seguimiento del sol, de tal manera que el plano imaginario de simetría de dicho espejo, que pasa a su vez por el eje imaginario central del tubo, ha de contener la recta visual desde cualquier punto de dicho plano al sol; o dicho de otro modo, el sol, como punto imaginario, debe pertenecer a ese plano.

Para que el espejo cilindroparabólico pueda girar de dicha manera, su eje de giro ha de coincidir con el eje del tubo. El giro en cuestión se posibilita montando el espejo sobre una corona semicircular cuyo centro es el eje del tubo. Al girar dicha, corona, el espejo cilindroparabólico y el tubo pueden quedar alineados con el sol según lo que se ha mencionado del plano de simetría, produciéndose la concentración de la luz solar directa sobre el tubo.

El montaje requiere dos cuestiones adicionales más: un actuador sobre la corona semicircular, para hacerla girar los grados precisos con objeto de efectuar la visual al sol por el plano de simetría; y un sistema de apoyo o sustentación del espejo cilindro-parabólico que sea independiente del tubo absorbedor, y permita el giro del espejo sin interferir con el tubo. Ambas cuestiones se explican con detalle en los dibujos que se presentan a continuación.

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Breve descripción de los dibujos

Las figuras 1 y 2 ya se han explicado anteriormente, por corresponder al estado del arte.

La figura 3 presenta un corte transversal del espejo, del tubo, de la corona semicircular y del actuador para hacer girar la corona y el espejo; pero no el tubo, que es fijo y no gira, y su sujeción es independiente del resto del conjunto. En esta figura se encuentran los siguientes elementos de la invención.

13.

Tubo fijo absorbedor de la radiación solar reflejada por el espejo.

14.

Espejo cilindroparabólico cuyo eje focal coincide con el eje del tubo (la figura no está a escala, por la diferencia de tamaños, pues el tubo puede tener unos 10 centímetros de diámetro, y la apertura óptica de la parábola (o diámetro de la corona circular de soporte) será de 5 metros o más) estando dicho espejo asentado en un armazón de largueros longitudinales y cuadernas transversales, lo cual no está representado en esta figura por claridad de la misma y por ser innecesario para la descripción de la invención, pudiendo entenderse el tal armazón como algo solidario al espejo, si bien posteriormente se vuelve a hacer mención a él, en el elemento número 27.

15.

Corona semicircular, dentada por su parte exterior, para acoplarse al tornillo sinfín del actuador.

16.

Tornillo sinfín que puede hacer girar el conjunto corona-espejo alrededor del eje de giro, que es el eje del tubo.

17.

Tirantes de sujeción o unión entre la corona semicircular y el espejo, que son parte del armazón del colector.

18.

Motor eléctrico (con su reductor mecánico correspondiente) para hacer girar el tornillo sinfín.

19.

Pies de apoyo del tornillo sinfín, regulables en altura, para ajustar el tornillo a la cara exterior dentada de la corona, de modo que ésta quede perfectamente engastada en el tornillo.

La figura 4 es una vista lateral del conjunto (con una interrupción intercalada, por problemas de escala), en la que se ven los sistemas de apoyo del tubo fijo, por un lado, y del conjunto espejo-corona, por otro; viéndose además que la corona sólo ocupa una pequeña fracción de la longitud del espejo, pues no es necesario más, y sería perjudicial que fuera más grande, por el peso adicional que comportaría, que ha de ser soportado esencialmente por los pilares de sustentación que hay en cada extremo del espejo, y de los cuales pende éste y toda su estructura, pero no el tubo fijo absorbedor (13). Los elementos de la invención que se encuentran en esta figura 4 son:

20.

Apoyo del tubo fijo 13. En dicho apoyo coinciden además las soldaduras entre tramos de tubos, correspondiendo cada tramo a un colector cilindro-parabólico.

21.

Pilar de sujeción del apoyo del tubo fijo.

22.

Pilar de sujeción del colector cilindro-parabólico y todo su armazón, incluida la corona semicircular 15, aunque ésta además apoya (descansando una pequeña fracción del peso del colector) en el tornillo sinfín 16. Cada colector, 14, necesita dos pilares, en cada uno de sus extremos. En la parte superior del pilar va practicado un gran orificio, u ojal, que no es visible en esta figura, pero que se presenta en la 6.

23.

Brida o pieza-puente soldada a dos pilares consecutivos 22, uno para cada colector, para formar un pórtico más estable estructuralmente hablando.

24.

Cilindro hueco (o tubo grueso) soldado al armazón del colector cilindro-parabólico, y encastrado dentro del hueco u ojal existente en el cabezal del pilar 22.

25.

Cojinete de rodamientos para asentar la pieza 24 de tal modo que dicha pieza, y el colector 14, al que va soldado, puedan girar libremente alrededor del eje de giro del cojinete, que coincide con el eje imaginario del tubo fijo, 13.

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Entre el tubo o cilindro hueco 24 y el tubo fijo, 13, existe un huelgo para evitar roces y permitir dilataciones, lo cual se aprecia mejor en la figura 5.

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En la figura 5 se muestra una vista ampliada del sistema de sujeción doble, del tubo fijo y del colector, con la posibilidad de giro de éste. Además de los elementos ya presentados en las figuras 3 y 4, que aquí aparecen con la misma numeración, la figura 5 tiene como elemento nuevo el siguiente:

26.

Huelgo, en corona circular, existente entre el tubo fijo 13, por el que pasa el fluido calorífero, y el tubo grueso giratorio, 24, que es solidario al espejo cilindro-parabólico, 14, y descansa sobre el cojinete 25.

Cabe reiterar que las figuras no están hechas a escala, por la diferencia de tamaño de los diversos componentes. Por ejemplo, el huelgo 26 puede ser de varios milímetros (menor de 1 centímetro) y sin embargo la altura, de los pilares será en general superior a 3 metros. Cabe también señalar que la longitud de los colectores estará condicionada por la capacidad del tubo fijo de soportar su propio peso, más el del fluido que circule por él. Téngase en cuenta que entre dos pilares consecutivos del tubo fijo, conformados por el conjunto de piezas 20 y 21, no puede haber apoyos intermedios del tubo en las paredes del colector, ni sobre el suelo. En este sentido, el factor más crítico es la cubierta de cristal que envuelve, sin tocarlo, al tubo metálico interior, pues dicho cilindro de cristal (que no es objeto de la invención) suele presentar muy malas características de trabajo bajo flexión. Caben aquí algunas soluciones de apoyo interno entre el tubo de cristal y el metálico, mucho más resistente, pero la conformación detallada del tubo, sus juntas de dilatación y otros detalles no entran en esta invención, que utilizaría los tubos disponibles.

La figura 6 muestra un corte transversal del cabezal del pilar de sujeción de los colectores. En ella se aprecian a mayor tamaño, aunque no exactamente a escala, los elementos presentados en las figuras 3, 4 y 5, y se añaden a otros dos, para mayor precisión:

27.

Armazón del colector cilindro-parabólico, unido solidariamente al tubo grueso giratorio 24, y que sustenta así mismo al espejo, 14, y a la corona circular, 15. El armazón no es necesario definirlo con precisión, aunque se constituirá por costillas transversales, y largueros longitudinales, para dar rigidez mecánica y geométrica al conjunto del colector giratorio.

28.

Ojal (cilíndrico, horizontal) en el cabezal del pie de sustentación del colector, sobre cuyo interior ha de apoyar el cojinete 25.

Descripción de una realización preferida de la invención

Para concentrar la luz solar sobre el tubo fijo 13, por dentro del cual fluye el fluido calorífero que se va a calentar merced a la absorción de la radiación en la pared del tubo, es necesario girar el colector de tal manera que su plano de simetría, que pasa a su vez por el eje del tubo, y que como plano imaginario es infinito, contenga al sol (como punto imaginario, aunque en realidad tiene 32 minutos sexagesimales de tamaño, desde nuestra visual, pero a efectos de colimación cabe considerarlo un punto).

Para efectuar esta colimación pueden usarse datos astronómicos, de posición relativa del sol en un enclave dado, y además, o alternativamente, métodos directos de colimación, asegurando el enfoque al sol mediante colimadores de medición de radiación. Más aún, el enfoque puede incluso hacerse sin necesidad de métodos sofisticados, sino, con una alidada de alineación visual, con el adecuado visor atenuado, En todo caso, la corrección del enfoque se podría y se debería hacer con un colimador de medición directa de la radiación (lo cual no entra en el campo de esta invención).

El tubo (13) del fluido calorífero estará siempre fijo, y no tendrá juntas rotatorias, muy desaconsejables cuando el fluido calorífero está a alta presión, pues son susceptibles de permitir fugas de éste.

El colector adquirirá la inclinación pertinente para su enfoque gracias a las órdenes dadas al actuador del tornillo sinfín (16), engastado en la corona semicircular (15) que girará todo el bloque hasta el ángulo indicado de su plano de simetría. El actuador, además del motor de giro del tornillo, contará con una mordaza electro-magnética convencional que dejará enclavado el conjunto tornillo-colector en la inclinación en la que se encuentre. La mordaza se soltará, y dejará de frenar dicho conjunto, cuando se mande una orden de alimentación eléctrica al motor, quedando entonces libre para hacer el nuevo giro. (El panel habrá de reenfocarse cada 15 minutos sexagesimales o menos, que equivale a un pequeño giro cada minuto de tiempo o menos).

En resumen, para la realización de la invención se parte de disponer de un tubo absorbedor (13), que puede soldarse un tramo tras otro, y que se ubica en posición fija horizontal. Adicionalmente la invención comprende: un espejo cilindro-parabólico (14) y un armazón (27) sustentador suspendido por primeros pilares (22) en sus extremos, teniendo los pilares (22) cabezales en los que existe un ojal (28) en forma de orificio cilíndrico horizontal, configurado para alojar concéntricamente:

el paso del tubo absorbedor fijo (13);

un tubo grueso giratorio (24) del que cuelga el espejo cilindro-parabólico (14) y el armazón, sin rozar con el tubo absorbedor fijo (13);

un cojinete de rodamientos (25) que tiene un aro interior donde descansa el tubo grueso giratorio (24) y un aro exterior encastrado en el ojal (28) que posibilita el giro del tubo grueso giratorio (24).

Queda por tanto el tubo fijo absorbedor de radiación (13) sustentado en una pluralidad de segundos pilares (21) configurados para mantener al tubo absorbedor fijo (13) en tendido horizontal, definiendo el eje central del tubo absorbedor fijo (13) una línea imaginaria que coincide con el eje de giro del tubo grueso giratorio (24).

Para efectuar el enfoque del espejo (14), la invención comprende, solidariamente con el armazón (27) del espejo (14), una corona semicircular (15), dispuesta en sección transversal al eje del tubo absorbedor fijo (13), configurada dicha corona para rotar alrededor de dicho eje, controlándose el giro de la corona semicircular (15) mediante un engrane de dientes exteriores de la corona semicircular (15) con un tornillo sinfín (16), cuyo giro seleccionado entre dextrógiro y levógiro hace rotar la corona semicircular (15) y todo el conjunto del espejo cilindro-parabólico (14) y su armazón (27) en un sentido seleccionado, estando dicho tornillo sinfín (16) accionado por un motor eléctrico (18) acoplado a un reductor mecánico para hacer girar el tornillo sinfín (16) hasta una posición indicada, en la que queda rígidamente enclavado el conjunto tornillo-colector mediante una mordaza electromagnética activada cuando el motor no recibe ninguna señal eléctrica para su movimiento, y desactivada para dejar libre el conjunto tornillo-colector para su giro cuando llega una nueva señal de actuación del motor (18), que será al menos una vez por minuto cronológico.

Claims (3)

1. Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante con tubo absorbedor fijo, caracterizado porque comprende: un espejo cilindro-parabólico (14) y un armazón (27) sustentador suspendido por primeros pilares (22) en sus extremos, comprendiendo los pilares (22) cabezales en los que existe un ojal (28) en forma de orificio cilíndrico horizontal, configurado para alojar concéntricamente:

un paso del tubo absorbedor fijo (13);

un tubo grueso giratorio (24) del que cuelga el espejo cilindro-parabólico (14) y el armazón, sin rozar con el tubo absorbedor fijo (13);

un cojinete de rodamientos (25) que tiene un aro interior donde descansa el tubo grueso giratorio (24) y un aro exterior encastrado en el ojal (28) que posibilita el giro del tubo grueso giratorio (24).

2. Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante con tubo absorbedor fijo, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo absorbedor fijo (13) está sustentado en una pluralidad de segundos pilares (21) configurados para mantener al tubo absorbedor fijo (13) en tendido horizontal, definiendo el eje central del tubo absorbedor fijo (13) una línea imaginaria que coincide con el eje de giro del tubo grueso giratorio (24).

3. Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante con tubo absorbedor fijo, según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque comprende, solidariamente con el armazón (27) del espejo (14), una corona semicircular (15), dispuesta en sección transversal al eje del tubo absorbedor fijo (13), configurada dicha corona para rotar alrededor de dicho eje, controlándose el giro de la corona semicircular (15) mediante un engrane de dientes exteriores de la corona semicircular (15) con un tornillo sinfín (16), cuyo giro seleccionado entre dextrógiro y levógiro hace rotar la corona semicircular (15) y todo el conjunto del espejo cilindro-parabólico (14) y su armazón (27) en un sentido seleccionado, estando dicho tornillo sinfín (16) accionado por un motor eléctrico (18) acoplado a un reductor mecánico para hacer girar el tornillo sinfín (16) hasta una posición indicada, en la que queda rígidamente enclavado el conjunto tornillo-colector mediante una mordaza electromagnética activada cuando el motor no recibe ninguna señal eléctrica para su movimiento, y desactivada para dejar libre el conjunto tornillo-colector para su giro cuando llega una nueva señal de actuación del motor (18), que será al menos una vez por minuto cronológico.