ES2321576A1 - Colector de energia solar termica. - Google Patents
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Abstract
Colector de energía solar térmica, en el que un panel absorbedor de radiación solar, por dentro del cual circula el fluido calorífero, se sitúa dentro de un cajón paralelepipédico, con una apertura con cubierta transparente en su parte frontal que puede duplicarse dejando un huelgo atmosférico en medio, contando la pared posterior del cajón con un sistema de juntas y tanques encastrados en la propia pared de modo que se asimilan las dilataciones y contracciones de los tubos verticales del panel y de sus conexiones horizontales mediante cambios suaves de curvatura de codos de tubería y de minúsculos giros de los tanques, añadiendo un sistema de llenado del cajón con un gas inerte, cuya presión puede escogerse entre una milésima de atmósfera y una atmósfera, disponiéndose para ello de un circuito exterior de gas, con tanques de baja y alta presión, y compresor intermedio.
Description
Colector de energía solar térmica.
La invención se encuadra en el campo de la
energía solar térmica, particularmente la que utiliza concentración
de la radiación originaria, reflejada por unos espejos orientables,
e incidente sobre unos colectores que absorben parte de dicha
radiación 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 propiamente dichos, donde
existe una superficie plana o curva que absorbe la radiación, y que
constituye la superficie exterior de un cuerpo por dentro del cual
circula el fluido calorífero antedicho. La invención hace
referencia a la configuración y constitución de estos colectores,
para maximizar el rendimiento de captación de la energía solar, al
tiempo que se les dota de una robustez intrínseca que les permite
soportar los efectos termomecánicos producidos por las grandes
variaciones de temperaturas y otras magnitudes termodinámicas,
cuando pasan de estar a temperatura ambiente a estar irradiados por
la energía solar concentrada, y viceversa.
Es conocido en la actualidad el uso de un campo
de espejos orientables, o helióstatos, que concentran la radiación
solar en un receptáculo que ocupa la parte superior de una torre,
erigida al sur de dicho campo. De ese mismo tipo de configuración
hay precedentes, tanto a nivel constructivo experimental, como de
patentes, entre las que puede citarse, por su antigüedad, la
patente US 4,117.682, que presenta un campo de helióstatos
sectorialmente dividido, con una torre con receptor central en cada
sector del campo.
Alternativamente se pueden tener disposiciones
en torre, pero usando toda una fachada de la construcción, no sólo
un receptáculo superior, tal como puede verse en la patente DE 102
48 064 A1. Previamente a esa patente, se puede citar la patente US
4,136,674 en la cual la superficie exterior de la torre central
donde se recibe la radiación reflejada por los espejos, está
constituida de un haz de tubos que la recubren en su práctica
totalidad. Análogamente se encuentra la solicitud de patente europea
EP 0 106 688 A2, destinada a mejorar las prestaciones de los
colectores de tubos cuando el fin al que se destinan es producir
vapor, por lo que se busca una distribución apropiada de la carga
térmica entre los tubos destinados al hervidor, donde se produce el
cambio de fase, y los del sobrecalentador, donde se eleva la
temperatura del vapor seco ya separado de la fase líquida, que se
recircula.
En estas dos patentes se evidencian dos
problemas especialmente graves de esta disposición o configuración
de paneles o colectores: al estar los tubos desnudos, la convección
natural del aire circundante extrae mucho calor de la superficie
irradiada, disminuyendo por ende el calor efectivamente captado,
esto es, transferido al fluido calorífero, con lo cual el
rendimiento del colector resulta bajo o muy bajo; y además, el
oxígeno del aire puede oxidar rápidamente la superficie exterior del
tubo caliente, que deberá estar pintada de una sustancia de alta
absortividad solar y baja emisividad, propiedades que se degradan
cuando el oxígeno reacciona químicamente con dicha capa de pintura
especial.
La respuesta estándar a estos problemas es
encerrar la superficie colectora de radiación en un receptáculo o
cajón donde se haya hecho un vacío apreciable, y su cierre, en la
parte por donde incide la radiación, será una cubierta transparente,
generalmente de vidrio, precisamente para dejar pasar la radiación
al interior del cajón. Esta disposición es incluso seguida en
colectores de baja y media temperatura, operando con radiación
directa (no reflejada con concentración), aunque en este caso las
temperaturas alcanzadas sean, mucho menores. En todo caso, mediante
esta disposición se consigue minimizar el nivel de pérdidas
térmicas por convección, al no existir corrientes de convección
dentro del receptáculo del colector a vacío, y también se evita la
agresión química del oxígeno contra la capa exterior de la
superficie absorbente de radiación.
Esta solución tiene, no obstante, un problema, y
es que el vidrio de la cubierta transparente ha de trabajar con una
diferencia de presiones entre sus caras de aproximadamente una
atmósfera, es decir unos 100.000 pascales. Esta diferencia de
presiones es muy alta para un material de muy bajo límite elástico,
como es el vidrio (y aún sería peor para algunos plásticos
transparentes, pues además habrían de soportar temperaturas muy
superiores a las de ambiente, aunque no tan altas como las de la
superficie absorbente de radiación). Ello significa que las
dimensiones de la cubierta de vidrio (o de la cubierta en general),
estarán muy limitadas por las tensiones mecánicas internas
inducidas por la mencionada diferencia de presiones. Como en una
viga cargada uniformemente (que en nuestro caso corresponde a una
diferencia de presiones uniforme) el momento flector máximo depende
del cuadrado de la longitud de la viga, esta longitud quedará
considerablemente limitada por el efecto de la diferencia entre la
presión exterior (la atmosférica local) y la interior, prácticamente
nula, aunque en la realidad constructiva se considere suficiente un
vacío de una milésima de atmósfera. Cabe hacer la cubierta de
vidrio de espesor muy grande, para aumentar el momento de inercia
transversal, y por ende disminuir la tensión interna necesaria para
equilibrar el momento flector inducido, pero esa posibilidad
presenta a su vez otro inconveniente, pues no hay ningún vidrio
absolutamente transparente, y cuanto mayor sea su espesor, mayor es
la cantidad de radiación absorbida en su seno, lo que provoca
mayores temperaturas interiores, y mayor gradiente de ésta, pues
sólo se refrigera por la cara externa, lo que hace que aparezcan
tensiones mecánicas inducidas por diferencias térmicas, que pueden
ser incluso superiores a las producidas por la diferencia de
presiones exterior e interior.
Junto a los problemas señalados, hay que apuntar
otro igualmente importante, y es el de las dilataciones producidas
al pasar los elementos del colector desde la temperatura ambiente a
la de trabajo, lo cual puede suponer un salto de 500ºC o igualmente
Kelvin en el sistema SI. Si se tiene en cuenta que el coeficiente de
dilatación lineal de un acero convencional está en el orden de 10
millonésimas por ºC resulta que los aumentos de las longitudes son
del orden del 0,5%, lo cual es muy apreciable y se ha de tener en
cuenta en el diseño de la superficie absorbente de la radiación, y
en la matriz o cuerpo en que se sustenta, por dentro de la cual ha
de pasar el fluido calorífero, para extraer el calor y llevarlo al
foco termodinámico de interés. Al tratar el tema de las
dilataciones, también se ha de señalar que éstas serán menores en
la cubierta de vidrio que en la superficie absorbente y su cuerpo
sustentador. De hecho, incluso las otras paredes del receptáculo del
colector, distintas a la cubierta transparente, también habrán de
estar a temperaturas bastante menores que las partes absorbentes de
radiación, pues de lo contrario gran parte de la energía fugaría
por esas paredes, por conducción y convección.
El cuadro anteriormente descrito, configura el
conjunto de problemas a resolver, mediante una invención que emplee
los mecanismos físicos naturales, con los artificiales que se
requiera, para poder absorber una fracción importante de la energía
térmica de la radiación solar, cuando ésta se concentra merced a la
convergencia, sobre un colector, de la radiación reflejada por un
conjunto de espejos cuya superficie total de reflexión sea muy
superior a la superficie absorbente de radiación, contenida dentro
del receptáculo del colector. Era por tanto deseable un sistema que
consiguiera la absorción de energía solar térmica por parte de un
fluido calorífero evitando los inconvenientes existentes en los
anteriores sistemas del estado de la técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención consiste en disponer la superficie
absorbente de radiación, y su matriz o cuerpo soporte, por dentro
de la cual pasa el fluido calorífero, en el interior de un gran
cajón hermético o receptáculo que tenga una pared constituida por
una cubierta transparente que es atravesada por la radiación a
absorber; y el resto de la paredes estarán compuestas de materiales
que incluirán estructuras de rigidez mecánica, así como aislantes
térmicos; proponiéndose una disposición del componente térmico
esencial de tal manera que permite asimilar fácilmente sus
dilataciones sin alterar la estanqueidad del receptáculo o cajón,
que estará, en una primera opción de la invención, en condiciones
de vacío.
La disposición de los componentes hace que se
minimicen las pérdidas térmicas por conducción y convección hacia
el exterior; y se minimice así mismo la agresión química a la capa
exterior de la superficie absorbente de la radiación, gracias al
vacío interior y a la ausencia de oxígeno. Como alternativa al
vacío, la invención contempla la insuflación de un gas inerte, como
el nitrógeno, en el interior del receptáculo, con un sistema activo
de mantenimiento de la presión ante cualquier cambio de temperatura
en el gas de llenado; pudiendo además colocarse una doble cubierta
transparente de pequeño grosor, pero con muy pequeñas
solicitaciones mecánicas y con bajas pérdidas de calor por
convección. En todo caso, las dilataciones de los elementos del
componente térmico esencial quedarán totalmente compensadas, sin
crear tensiones que puedan dañar aceleradamente ningún elemento.
Adicionalmente, en el caso de la opción más elaborada de la
invención, las presiones exterior (atmosférica local) e interior
del cajón o receptáculo, quedarán igualadas, de modo que la cubierta
de vidrio estará sometida a presiones iguales en ambas caras, sin
sufrir por tanto tensiones mecánicas difíciles o imposibles de
soportar por un vidrio o material transparente similar, en el cual
sería difícil de garantizar la resistencia con una diferencia de
presiones de una atmósfera (1 bar, o 100.000 Pa) si las dimensiones
superficiales de la cubierta son grandes.
La presente invención resuelve los problemas
existentes en el estado de la técnica mediante un colector de
energía solar térmica formado por una pluralidad de conductos
colectores, que absorben la energía solar incidente en éstos, por
dentro de los cuales circula un fluido calorífero que recoge la
energía solar absorbida por los conductos colectores. Los conductos
colectores son verticales y tienen un extremo de entrada y uno de
salida.
El colector también presenta medios de entrega
del fluido calorífero a los conductos colectores, los cuales se
conectan a los extremos de entrada de dichos conductos colectores,
y medios de recogida del fluido calorífero de los conductos
colectores, los cuales se conectan a los extremos de salida de los
conductos colectores.
En el colector, tanto los conductos colectores,
como al menos parte de los medios de entrega del fluido calorífero
a los conductos colectores, y al menos parte de los medios de
recogida del fluido calorífero de los conductos colectores, se
disponen en el interior de un cajón hermético 100, cuya estructura
está formada por una placa interior metálica resistente, una placa
exterior metálica resistente, y entre las placas interior y
exterior, un volumen intermedio relleno de material aislante
térmico.
El cajón está formado por una pared superior,
una pared inferior, paredes laterales, y una pared trasera en la
que se encastran al menos parte de los medios de entrega del flujo
calorífero y al menos parte de los medios de recogida del flujo
calorífero en alojamientos herméticos recubiertos por juntas de
materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben
deformaciones de los medios de entrega y medios de recogida del
flujo calorífero sustancialmente del 0,1%. Además existe una pared
frontal que tiene una abertura superficial para el paso de la
radiación solar a los conductos colectores. La abertura está
cerrada mediante una cubierta transparente encastrada en la pared
frontal por intermediación de una junta de cierre a presión.
Los conductos colectores pueden ser una
pluralidad de canales de sección recta rectangular que forman un
panel continuo con una superficie frontal plana, o bien pueden ser
una pluralidad de tubos colectores que forman un haz vertical, o con
una inclinación de sustancialmente 10º sexagesimales, hacia
delante.
Según una realización particular de la
invención, los medios de entrega del fluido calorífero a los
conductos colectores están formados por unos primeros tubos de
conexión que tienen un codo a 90º, y que se conectan por uno de sus
extremos a los extremos de entrada de los conductos colectores, y
por su otro extremo a al menos un tanque de entrada cilíndrico
horizontal encastrado en la pared trasera en un alojamiento
hermético. El alojamiento está recubierto por una primera junta
aislante térmica y elástica que lo recubre en todo su volumen, y
que absorbe deformaciones del tanque de entrada de sustancialmente
el 0,1%, y el tanque de entrada se conecta en una zona
diametralmente opuesta a la de los primeros tubos de conexión a una
pluralidad de tubos de entrada del fluido calorífero al colector.
Según esta realización, los medios de recogida del fluido
calorífero de los conductos colectores tienen unos segundos tubos
de conexión que tienen un codo a 90º, y que se conectan por uno de
sus extremos a los extremos de salida de los conductos colectores, y
por su otro extremo a al menos un tanque de salida cilíndrico
horizontal encastrado en la pared trasera en un alojamiento
hermético. El alojamiento está recubierto por una segunda junta
aislante térmica y elástica que lo recubre en todo su volumen, y que
absorbe deformaciones del tanque de salida de sustancialmente el
0,1%, y el tanque de salida se conecta en una zona diametralmente
opuesta a la de los segundos tubos de conexión a unos tubos de
salida del fluido calorífero del colector.
Para evitar que haya fluido procedente de
diferentes tubos con diferente temperatura, de forma preferente el
colector tiene un tanque de homogeneización de temperatura que se
interpone entre los conductos colectores, a media altura de éstos, y
divide a los conductos colectores en dos tramos.
El colector puede tener una pantalla metálica
para la absorción de radiación, de alta conductividad, que se fija
a la parte frontal del haz de tubos colectores. Esta pantalla
metálica de absorción de radiación está recubierta con una capa de
alta absortividad y baja emisividad a la radiación, que puede estar
pintada o adherida.
Además, la superficie exterior de las paredes
del cajón está recubierta con un recubrimiento de alta
reflectividad a la radiación, que también puede estar pintado o
adherido, y la superficie interior de las paredes del cajón está
recubierta con un recubrimiento de alta reflectividad a la
radiación, que también puede ser pintura o adhesivo.
Según una realización particular de la
invención, el haz de tubos colectores se divide en varios
sub-haces, y hay una pieza de apoyo entre cada dos
sub-haces consecutivos, paralelamente a dichos
sub-haces. Estas piezas de apoyo apoyan por su
borde trasero en la pared trasera del cajón hermético, y la cubierta
transparente apoya en el borde frontal de las piezas de apoyo.
Según esta configuración, los medios de entrega de fluido
calorífero a los tubos colectores tienen un tanque de entrada por
cada uno de los sub-haces, y los medios de recogida
de fluido calorífero de los tubos colectores tienen un tanque de
salida por cada uno de los sub-haces. Estas piezas
de apoyo son transparentes y están realizadas en el mismo material
que la cubierta transparente, o alternativamente con el mismo
material que la placa interior de la estructura del cajón hermético
y con su mismo recubrimiento de alto índice de reflectividad.
Según una realización particular de la
invención, los tubos de salida del colector, más allá de la pared
trasera, tienen un codo de salida a 90º para dirigir los tubos de
salida verticalmente, y los medios de recogida del fluido
calorífero de los conductos colectores adicionalmente tienen un
tanque de mezcla y homogeneización de temperaturas y presión que se
conecta al extremo final de los tubos de salida.
Según otra realización concreta, los medios de
entrega del fluido calorífero al haz de tubos colectores tienen un
cabezal distribuidor al que llega el fluido calorífero a través de
un conducto de aportación que atraviesa la pared trasera del cajón
hermético a través de una fogonadura en la pared trasera, en la que
hay una cuarta junta esférica. Además, los medios de recogida del
fluido calorífero del haz tienen un embudo recolector conectado por
su extremo mayor al extremo de salida de los tubos colectores y por
su extremo menor a un conducto de salida que atraviesa la pared
trasera del cajón a través de una fogonadura en la pared trasera, en
la que se dispone una tercera junta esférica. Adicionalmente, esta
realización puede presentar una pantalla metálica de alta
conductividad que está fijada a la parte frontal del haz de tubos,
la cual se recubre con una capa de alta absortividad y baja
emisividad a la radiación, también pintada o adherida.
Los tubos del colector pueden estar inclinados
con respecto a la vertical un ángulo de aproximadamente 10º, y
adicionalmente puede existir un tanque de homogeneización de
temperatura que se interpone en los tubos colectores, a media altura
de éstos, y que divide a éstos en dos tramos longitudinales en
altura.
Particularmente, la división en
sub-haces de los tubos colectores se puede aplicar a
la configuración del cabezal distribuidor y del embudo recolector,
y por tanto habrá un cabezal distribuidor y un embudo recolector
por cada uno de los sub-haces existentes. Según una
realización alternativa para la configuración de los
sub-haces, la cubierta transparente que cierra la
abertura superficial de la pared frontal se divide en una
pluralidad de bóvedas transparentes que se dispone cada una de ellas
cubriendo cada uno de los sub-haces de los tubos
colectores.
Además, el cajón hermético puede tener en su
pared inferior un canal de succión del gas del interior del cajón,
el cual canal se conecta a un compresor succionador para la
realización del vacío en el interior de dicho cajón hermético,
habiendo en el canal una válvula de cierre.
Según una realización alternativa de la
invención, el interior del cajón hermético se puede rellenar con un
gas inerte, como nitrógeno o anhídrido carbónico. Así, la presión
del interior del cajón hermético se mantiene substancialmente igual
a la presión atmosférica mediante un circuito de regulación de
presión formado por un tubo de extracción de gas con una primera
válvula de cierre y una primera válvula de regulación de paso del
gas que se activa mecánica o electromecánicamente por la diferencia
de presiones existente entre el interior del cajón hermético y la
atmosférica. El circuito también tiene un primer depósito de gas
que almacena el gas inerte extraído del cajón hermético cuando es
necesario para la regulación de la presión, y que está a presión
menor que la atmosférica. Este primer depósito de gas está conectado
a un compresor que toma el gas del primer depósito de gas y lo
inyecta en un segundo depósito de gas, el cual está a presión mayor
que la atmosférica, e inyecta gas inerte en el cajón hermético
cuando es necesario para la regulación de la presión. Tanto el
primer depósito de gas como el segundo están reforzados para
soportar presiones menores y mayores que la atmosférica.
Preferentemente, el colector objeto de la
presente invención tiene una cubierta transparente adicional que se
fija en paralelo a la cubierta transparente original, encastrada en
la pared frontal del cajón hermético mediante una junta de cierre a
presión adicional. Entre ambas cubiertas existe un huelgo intermedio
que tiene menor espesor que las cubiertas transparentes y que está
conectado con el exterior por medio de orificios en la parte
inferior de la pared frontal del cajón, teniendo dichos orificios
unos filtros con tamiz de paso menor de un milímetro.
Además, el colector puede presentar unas
primeras aletas soldadas oblicuamente en el interior de la pared
frontal del cajón hermético, dispuestas por encima de la cubierta
transparente, que forman un ángulo agudo con la pared frontal y que
están orientadas hacia la pared inferior del cajón. Además, puede
presentar unas segundas aletas soldadas oblicuamente en el interior
de la pared frontal del cajón, y que están debajo de la cubierta
transparente, formando un ángulo agudo con la pared frontal y
orientadas hacia la pared inferior de dicho cajón. Por último, puede
tener unas terceras aletas, que están soldadas oblicuamente a lo
largo del interior de la pared trasera del cajón, y que forman un
ángulo agudo con la pared trasera, estando orientadas hacia la
pared superior del cajón, y teniendo dichas terceras aletas una
longitud tal que en su dilatación a temperatura de funcionamiento
nominal del colector, su extremo libre queda a una distancia de la
superficie trasera de los conductos colectores que esté entre medio
milímetro y un milímetro. Todas estas aletas entorpecen el
movimiento convectivo del gas en el interior del cajón, estando
hechas de material aislante y recubiertas con un recubrimiento de
alta reflectividad a la radiación, seleccionado entre pintura y
adhesivo,
A continuación, para facilitar la comprensión de
la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá
una realización de la invención que hace referencia a una serie de
figuras.
La figura 1 representa un corte en sección
vertical de una realización particular del colector objeto de la
presente invención en la que los conductos colectores son tubos
colectores.
La figura 2 presenta un corte transversal
horizontal a la altura del tanque de salida del fluido calorífero
del colector de la figura 1.
La figura 3 representa una vista frontal
esquemática del colector de las figuras 1 y 2.
La figura 4 representa una vista frontal de una
realización alternativa de la invención que incluye un tanque
intermedio de homogeneización de la temperatura.
La figura 5 es un corte transversal horizontal a
la altura del tanque de salida del fluido calorífero de una
realización particular del colector anterior que incluye una
pantalla metálica de absorción de radiación.
La figura 6 representa un corte en sección
vertical de una realización particular del colector objeto de la
presente invención en la que los conductos colectores son canales
de sección recta que forman un panel.
La figura 7 representa una realización
particular de la invención en la que el haz de tubos colectores se
dividen en varios sub-haces divididos por piezas de
apoyo en los que apoya la cubierta transparente.
La figura 8 se representa un corte transversal
vertical de un detalle del alojamiento del tanque de salida del
fluido calorífero en la pared trasera del cajón hermético.
La figura 9 muestra un corte transversal
horizontal de una disposición alternativa del colector en el que la
parte superior de los tubos colectores se conecta a un embudo
recolector.
La figura 10 es similar a la anterior y
representa una variante de la realización anterior en la que se
añade una pantalla metálica de absorción de radiación.
La figura 11 es un corte vertical de la
realización del colector de las figuras 9 y 10.
La figura 12 muestra una vista frontal de la
realización del colector de las figuras 9, 10 y 11.
La figura 13 es análoga a la anterior, pero en
ella se ha eliminado el tanque redistribuidor intermedio.
La figura 14 muestra una realización similar a
la de la figura 7, en la que la cubierta transparente es sustituida
por una bóveda para cada uno de los sub-haces de
tubos colectores.
La figura 15 representa una realización
particular de las juntas esféricas herméticas dispuestas en la
pared posterior del cajón.
La figura 16 muestra una realización alternativa
de dichas juntas esféricas herméticas de la pared posterior del
cajón.
La figura 17 es una vista de una realización
similar a la de la figura 7, pero en este caso utilizando los
embudos colectores.
La figura 18 representa una realización
particular de la invención en la que se utiliza un gas inerte en el
interior del cajón hermético y un circuito de regulación de
presión.
La figura 19 muestra un montaje de circuito de
regulación de presión análogo al de la figura 18, en este caso
aplicado al colector de las figuras 1 a 3.
La figura 20 muestra colector similar al de la
figura anterior, en el que se dispone una cubierta transparente
adicional.
La figura 21 representa esquemáticamente un
montaje de varios colectores objeto de la presente invención ante
un campo de helióstatos para la obtención de energía térmica.
La figura 22 muestra un colector objeto de la
invención con elementos de ensamblaje para su montaje de acuerdo
con uña disposición como la representada en la figura 21.
La figura 23 representa con detalle la cuña de
ensamblaje representada en la figura anterior.
La figura 24 muestra la disposición de pletinas
en ángulo para dar rigidez a las uniones de las paredes del cajón
hermético de la presente invención.
La figura 25 muestra la forma de las pletinas de
la figura anterior
En estas figuras se hace referencia a un
conjunto de elementos que son:
- 1.
- Radiación solar incidente en el colector
- 2.
- Cubierta transparente del cajón hermético
- 3.
- Junta de cierre a presión de la cubierta transparente de la pared frontal del cajón hermético
- 4.
- Pared frontal del cajón hermético
- 5.
- Pared superior del cajón hermético
- 6.
- Pared inferior del cajón hermético
- 7.
- Pared trasera del cajón hermético
- 8.
- Recubrimiento de la superficie interior y exterior de las paredes del cajón hermético
- 9.
- Canal de succión del cajón hermético
- 10.
- Válvula de cierre del canal de succión del cajón hermético
- 11.
- Tubos colectores
- 12.
- Superficie exterior de los tubos colectores
- 13.
- Tubos de entrada del fluido calorífero al colector
- 14.
- Válvula de cierre de los tubos de entrada del fluido calorífero al colector
- 15.
- Tanque de entrada de los medios de entrega del fluido calorífero
- 16.
- Primera junta que recubre al tanque de entrada
- 17.
- Primeros tubos de conexión de los medios de entrega del fluido calorífero
- 18.
- Segundos tubos de conexión de los medios de salida del fluido calorífero
- 19.
- Tanque de salida de los medios de salida del fluido calorífero
- 20.
- Segunda junta que recubre el tanque de salida
- 21.
- Tubos de salida del fluido calorífero del colector
- 22.
- Válvula de cierre de los tubos de salida del fluido calorífero del colector
- 23.
- Aislamiento térmico de los tubos de salida del fluido calorífero del colector
- 24.
- Aislamiento térmico de los tubos de entrada del fluido calorífero al colector
- 25.
- Haz de tubos colectores
- 25'.
- Sub-haces en que queda divido el haz de tubos de colectores
- 26.
- Tanque de homogeneización de temperatura
- 27.
- Pantalla metálica de absorción de la radiación
- 28.
- Panel continuo de canales con superficie frontal plana
- 29.
- Canales de sección recta
- 30.
- Pieza de apoyo de la cubierta transparente
- 31.
- Codo de salida
- 32.
- Tanque de mezcla y homogeneización de temperaturas y presión
- 33.
- Embudo recolector
- 34.
- Conducto de salida de fluido calorífero
- 35.
- Tercera junta que embebe al conducto de salida en la pared posterior
- 36.
- Aislamiento térmico del conducto de salida del fluido calorífero
- 37.
- Válvula de cierre del conducto de salida del fluido calorífero
- 38.
- Conducto colector oblicuo al embudo colector, al tanque intermedio redistribuidor y al cabezal distribuidor
- 39.
- Tanque intermedio redistribuidor del flujo de fluido.
- 40.
- Sección inferior del conducto colector oblicuo al embudo colector, al tanque intermedio y al cabezal distribuidor
- 41.
- Cabezal distribuidor de fluido calorífero
- 42.
- Conducto de aportación del fluido calorífero
- 43.
- Cuarta junta que embebe al conducto de salida en la pared posterior
- 44.
- Válvula de cierre del conducto de aportación del fluido calorífero
- 45.
- Aislamiento térmico del conducto de aportación del fluido calorífero
- 46.
- Bóvedas de la cubierta transparente
- 47.
- Primera parte semiesférica de las juntas esféricas
- 48.
- Segunda parte semiesférica de las juntas esféricas
- 49.
- Tubo de extracción de gas del circuito de regulación de presión
- 50.
- Primera válvula de cierre del circuito de regulación de presión
- 51.
- Primera válvula de regulación de paso de gas del circuito de regulación de presión
- 52.
- Primer depósito de gas del circuito de regulación de presión
- 53.
- Compresor del circuito de regulación de presión
- 54.
- Segundo depósito de gas del circuito de regulación de presión
- 55.
- Tubo de descarga de gas al circuito de regulación de presión
- 56.
- Segunda válvula de regulación de paso de gas del circuito de regulación de presión
- 57.
- Segunda válvula de cierre del circuito de regulación de presión
- 58.
- Primeras aletas en la pared frontal del cajón hermético del colector
- 59.
- Terceras aletas en la pared trasera del cajón hermético del colector
- 60.
- Segundas aletas en la pared frontal del cajón hermético del colector
- 61.
- Placa interior del cajón hermético
- 62.
- Volumen intermedio del cajón hermético
- 63.
- Placa exterior del cajón hermético
- 64.
- Huelgo intermedio entre cubiertas transparentes
- 65.
- Cubierta transparente adicional
- 66.
- Junta de cierre a presión adicional de la cubierta transparente de la pared frontal del cajón hermético
- 67.
- Orificios de la parte inferior de la pared frontal del cajón hermético
- 68.
- Primer filtro de los orificios
- 69.
- Segundo filtro de los orificios
- 70.
- Helióstatos de reflexión de la luz solar original directa
- 71.
- Luz solar directa.
- 72.
- Conjunto colector
- 73.
- Vigas estructurales de las que penden los colectores
- 74.
- Estructura constructiva de la que forman parte las vigas estructurales y que conforma la disposición de los colectores
- 75.
- Sistema de compensación de la presión interior del gas de llenado de los cajones
- 76.
- Tubería de aportación del fluido calorífero desde el fin útil
- 77.
- Bomba de impulsión del fluido calorífero
- 78.
- Tubería de salida del fluido calorífero hacia el fin útil
- 79.
- Tanques de uniformización de temperatura del fluido calorífero y de amortiguación de transitorios
- 80.
- Piezas solidarias a las vigas estructurales, de las que penden los colectores
- 81.
- Orejetas del colector para el anclaje de éste
- 82.
- Orificios en las orejetas para tornillos pasantes
- 83.
- Cuarto superior de la pared del cajón
- 84.
- Cuarto medio superior de la pared del cajón
- 85.
- Cuarto medio inferior de la pared del cajón
- 86.
- Cuarto inferior de la pared del cajón
- 87.
- Cuña de ensamblaje del cajón
- 88.
- Cordones de soldadura de la cuña de ensamblaje al cajón
- 89.
- Pared lateral de la cuña de ensamblaje
- 90.
- Bordes de la cuña para su soldadura a las paredes laterales del cajón
- 91.
- Superficie superior del cajón hermético
- 92.
- Superficie posterior del cajón hermético
- 93.
- Superficie lateral del cajón hermético
- 94.
- Pletina en ángulo de la unión superior-lateral del cajón hermético
- 95.
- Pletina en ángulo de la unión superior-posterior del cajón hermético
- 96.
- Pletina en ángulo de la unión posterior-lateral del cajón hermético
- 97.
- Pletina en diedro
- 98.
- Angulo recto del diedro
- 99.
- Biseles en los extremos de la pletina
- 100.
- Cajón hermético
La figura 1 representa un corte en sección
vertical de la configuración general de la invención propuesta, en
la que se aprecia la radiación incidente en el colector, 1, que
puede ser directa desde el sol, aunque en general provendrá de
varios espejos que la concentran sobre el colector, para conseguir
temperaturas más altas, al ser mayor la intensidad recibida, en
potencia por unidad de superficie, es decir, vatios por metro
cuadrado. La radiación atravesará mayoritariamente la cubierta
transparente 2, que está embebida, a través de una junta 3 en la
pared frontal 4 del cajón 100 del colector. Este cajón 100 es
hermético, al estar cerrado por la mencionada parte frontal,
compuesta por esa pared en cuestión más la cubierta 2, así como por
las paredes superior, 5, e inferior, 6, más las laterales, sin
funciones especiales que reseñar, más la posterior, 7, que no es
continua sino que tiene perforaciones donde se asientan los tanques
de entrada, 15, y salida, 19, del fluido calorífero; aunque el
conjunto queda estanco merced a las juntas de asentamiento del
tanque de entrada, 16, y de salida, 20. Así puede mantenerse el
vacío interior del cajón 100, que se efectúa a través del tubo 9 de
conexión con el compresor o bomba de vacío que succionaría el gas
interior, y existiendo también una válvula de cierre, 10, del tubo
9, para mantener el vacío practicado, que en primera aproximación
puede ser del orden de una milésima de atmósfera, aunque este valor
se alterará después para unos montajes alternativos, más complejos,
de la invención.
El fluido calorífero llega al colector por los
tubos 13, cuyo paso puede ser cerrado, para aislamiento hidráulico
de ese circuito, merced a las válvulas 14, llegando el fluido al
tanque 15, desde el cual prosigue por los tubos 17, que tienen forma
de codo, lo que les permite asimilar las dilataciones con
facilidad, con una deformación leve de su ángulo de curvatura.
Dichos tubos 17 llevan el fluido hasta el cuerpo o matriz 11, cuya
superficie exterior 12 es la que recibe la mayor parte de la
radiación solar 1, siendo absorbida en ella por sus propiedades
ópticas de alta absortividad, siendo su emisividad muy baja. Ello
hace que una fracción alta de la energía de esa radiación pase al
fluido calorífero, que asciende por el interior del cuerpo o matriz
11, cuya estructura interna será descrita posteriormente. Tras su
paso por dicho cuerpo, con el calentamiento consiguiente, el fluido
sale del colector a través de los tubos en codo 18, conectados al
tanque de salida 19, que está embebido en la pared posterior, 7,
disponiéndose de una junta 20, que lo envuelve y lo encastra en
dicha pared 7. Habida cuenta la forma cilíndrica de los citados
tanques 15 y 19, que posteriormente se describirán con mayor
detalle, los tubos de entrada y de salida tienen cierta holgura de
movimiento, de tal manera que cuando se dilate el cuerpo 11, los
codos de los tubos 17 y 18 tenderán a bajar y a subir
respectivamente, lo que hará que el tanque 15 gire levemente en
sentido levógiro, y el 19 en sentido dextrógiro. Induciendo giros
similares en sus tuberías exteriores respectivas, las 13 para el
tanque 15, y las 21 para el tanque 19. Se habla en plural, pues
pueden ser varios los tubos de entrada y salida, en paralelo, tal
como se evidenciará en dibujos posteriores.
Para aislar hidráulicamente el tramo del
circuito del fluido calorífero, que corresponde al colector, los
tubos 13 tienen unas válvulas 14, y los de salida, 21, las válvulas
22. De esta manera, en caso de tener que reparar el colector, por
tener éste fugas en sus elementos interiores se puede realizar sin
problemas el desmontaje del colector, en maniobra opuesta al
montaje, que también se describirá como parte de esta invención.
Habida cuenta de la alta temperatura del fluido calorífero, y del
interés de minimizar las pérdidas de calor, los tubos externos,
tanto 13 como 21, van aislados térmicamente, como se señala con los
componentes 24 y 23 respectivamente. Estos aislantes son de
material convencional, como la fibra de vidrio.
Cabe señalar que el material de los componentes
puede ser así mismo convencional de la industria térmica, ajustando
su elección en función de las temperaturas buscadas, tanto más
altas cuanto mayor sea el factor de concentración de la luz solar.
Se buscará en general, para el componente térmico esencial
principalmente, material de alta conductividad térmica, y en tal
sentido el cobre y el aluminio serán preferidos al acero, pero
también contarán otros factores, como la compatibilidad química y la
ausencia de corrosión ante el fluido calorífero.
Para las paredes del cajón 100 se usa una
estructura tipo sándwich, también común en la industria térmica,
con dos superficies de rigidez para las partes interior y exterior,
típicamente metálicas, y un aislante térmico entre ambas. Las
superficies de rigidez tienen por objeto dotar de resistencia
mecánica al conjunto. Además de las posibles diferencias de presión
entre el interior y el exterior del cajón 100, éste deberá aguantar
su propio peso, pues el conjunto, incluido el colector, quedará
pendido de la parte superior del cajón 100, tal como se
especificará en una figura posterior, para poder recibir
convenientemente la luz reflejada por un campo de helióstatos, que
será la aplicación más interesante. La superficie metálica externa
del cajón 100 especialmente importante, pues en ella habrá que
practicar las soldaduras de montaje que dejen estanco el interior
del cajón 100, y además permitan acoplar los tanques de entrada y
salida, con sus juntas correspondientes. Por otro lado, toda la
superficie interior del cajón 100, tal como ya se ha explicado, irá
pintada, o con una capa adhesiva, de material que mayoritariamente
refleje la radiación solar. De igual manera irá pintada la
superficie exterior, particularmente la frontal 4, pues de
producirse un error de enfoque de la radiación, y dar sobre la
superficie del cajón 100, que no tiene la refrigeración adecuada,
el cajón 100 podría sufrir daños mecánicos, e incluso fundirse en
parte, de no tener alta reflectividad.
La figura 2 presenta un corte transversal
horizontal de una de las disposiciones que puede adoptar la
invención. El corte está hecho a nivel de uno de los tanques de
penetración del cajón 100, que puede ser tanto el de entrada, 15,
como el de salida, 19. Por motivos de precisión, en la figura se
representa este último, junto a la junta 20, y los tubos de salida
21, de los cuales se representa un haz paralelo, como el de los
tubos 18, que en número puede ser tan alto como la aplicación lo
requiera.
Es muy importante señalar que la matriz o cuerpo
que soporta el paso del fluido calorífero por el colector, señalado
con el número 11 en la figura 1, se materializa en esta caso en un
haz de tubos paralelos, 25. Es importante señalar que este haz de
tubos paralelos conforma la matriz de canalización del paso del
fluido calorífero por el colector, en una de las alternativas
básicas de esa matriz, aunque no la única, como se verá en otras
figuras. Cabe por último añadir que el exterior de estos tubos debe
estar pintado del material de alta absortividad a la luz solar, que
se designó como superficie 12 en la figura anterior, aunque en vez
de pintura puede tratarse de un adhesivo. Como se ve en la figura,
los tubos 25 son prácticamente tangente entre sí, a la temperatura
de trabajo, para formar de modo práctico una pantalla a la radiación
incidente, mientras que los tubos 18, que llevan codos para
asimilar las dilataciones longitudinales, son más delgados, no
tangentes entre sí, para permitir su mejor inserción en el tanque
19, aunque también sería posible la alternativa de recogerlos en un
solo conducto, como se verá en otra figura. Para dimensionar el
radio de los tubos 25, se partirá del coeficiente de dilatación
lineal del material del tubo, y del aumento de temperatura que se
busca obtener, según el balance térmico de la aplicación concreta
que se proyecta. Si se denomina "A" a dicho coeficiente, y
"T" al aumento de temperatura, el radio en frío de los tubos
25, denominado "F", se obtendrá a partir del radio en
caliente, "L", que será igual a la anchura de la cubierta
transparente 2, dividida por el número de tubos. La relación en
cuestión es la siguiente:
F = L/(1 +
A*T)
La figura 3 representa una vista frontal del
colector, en la que se aprecia la pared frontal 4, que enmarca la
abertura de la cubierta transparente, 2, que deja ver el haz de
tubos, 25, donde se absorbe la radiación. En la parte inferior está
el tanque de entrada 15, con su junta 16 y los tubos 17 que lo
conectan con el haz 25. Análogamente en la parte de arriba están
los tubos 18, el tanque de salida 19 y la junta 20. Conviene
señalar que, al igual que la superficie interior del cajón 100, y
como ya se ha anunciado, la superficie exterior de la pared frontal
también debe ser pintada con un material con alta reflectividad de
la radiación, o tener una capa adhesiva de esas propiedades ante la
radiación de longitudes de onda propias de la luz solar.
\newpage
La figura 4 representa una alternativa a la
disposición mostrada en la figura 3, pues en ella se ha incluido un
tanque intermedio 26 de mezcla de caudales del fluido calorífero,
para equilibrar temperaturas en los diversos tubos del haz 25. Esto
es recomendable si se tiene en cuenta que no es fácil garantizar la
uniformidad de la intensidad de la radiación recibida por las
diferentes tubos del haz, dependiendo también de la altura, pues los
helióstatos tendrán incertidumbres de colimación al apuntar hacia el
colector que ha de recibir su luz reflejada. En general, los tubos
laterales recibirán menos intensidad de radiación, e incluso su
valor será casi nulo, pues se intentará evitar que la radiación
incida sobre la pared frontal de cajón 100, dado que se perdería. Al
introducir el tanque intermedio 26, el flujo del fluido se
redistribuye, lo cual uniformiza las temperaturas de los tubos, y
evita puntos excesivamente calientes.
La figura 5 es similar a la 2, pero en ella se
añade un elemento constructivo opcional, pero importante, que es la
pantalla frontal 27, que será la que reciba la radiación, y a la
cual van soldados los tubos del haz 25. Conceptualmente, la pantalla
27 tiene la misma función que la superficie 12, expuesta en la
figura 1, pues ha de tener una alta absortividad a la luz solar, y
muy baja emisividad. Aquí se le identifica con una numeración
propia porque se materializa de una manera específica, apropiada a
la configuración de haz de tubos propuesta para la matriz de paso
del fluido. La pantalla 27 tiene la función de absorber la
radiación y transmitirla a los tubos con cierta redistribución de
la carga térmica recibida, para lo cual ha de tener alta
conductividad de calor. Aunque esto aporta una ventaja de cara a
las prestaciones térmicas del haz de tubos, comporta el
inconveniente de que puede inducir tensiones mecánicas causadas por
diferencias de dilatación en los tubos, si éstos no se calientan por
igual. Así pues, utilizar o no esta alternativa estará en función
de cómo se consideren ambos aspectos, de redistribución térmica y
de tensiones. En general podrá optarse por poner pantalla si ésta
es de un material con alta conductividad, pues entonces se
uniformizará mucho la distribución de calor a lo largo y ancho de
toda ella, y los tubos adquirirán temperaturas muy parecidas, lo
cual hará que sus dilataciones también lo sean, y los problemas
mecánicos serán despreciables.
Hay que anotar que, para que la transmisión de
calor de la pantalla a los tubos sea buena, la soldadura o método
de unión ha de ser eficaz, en el sentido de no tener
discontinuidades, pues éstas presentarían inaceptables resistencias
a la transmisión del calor.
De ahí que como alternativa más propicia se
presente la de la figura 6, en la cual el haz de tubos 25 se ha
sustituido por un panel 28, formado por un conjunto de canales
adyacentes de tipo rectangular en sus secciones rectas de paso del
fluido, que permiten adherir o pintar mejor una capa en su
superficie exterior como la indicada con el número 12, ya
presentada en la figura 1. De esta manera, la redistribución de
calor desde la superficie de absorción 12 a los canales del fluido
calorífero es mucho más eficaz. Cada canal 29 del panel 28, estaría
unido a un tuba 17 de entrada desde el tanque 15, y a un tubo
superior de salida, 18, que va a dar, hidráulicamente, al tanque
19.
Subsiste sin embargo el problema ya mencionado
de que en el interior del cajón 100 del colector existe vacío, y
por tanto una presión casi nula, y en el exterior habrá la presión
atmosférica ambiental, del orden de los 100.000 Pa, lo que hará que
la cubierta transparente esté sometida a unos esfuerzos mecánicos
muy altos, difícilmente soportables por un vidrio. De ahí que en la
figura 7 se presente una alternativa para evitar la rotura del
vidrio o material transparente de la cobertura por un exceso de
carga y deformación. Es sabido que el máximo momento flector de una
viga uniformemente cargada depende del cuadrado de la longitud de
la viga, de modo que el modo habitual para reducir ese valor del
momento, que a su vez genera las tensiones internas en la viga, es
reducir la longitud de ésta poniendo apoyos intermedios. Estos se
representan en la figura 7 mediante los elementos 30, que en una
primera opción pueden ser así mismo de vidrio transparente, para que
la radiación les atraviese. Como el vidrio trabaja razonablemente a
compresión, estos apoyos serán efectivos para transmitir los
esfuerzos mecánicos a la pared posterior, 7, del cajón 100, que
tendrá una parte metálica en su estructura, como ya se ha dicho,
para dotarla de la rigidez necesaria. Alternativamente a las piezas
30 de material transparente, se pueden utilizar de material
metálico como el de la pared interna del cajón 100, recubiertos de
pintura o con una capa adherida altamente reflectante a la
radiación, capa 8.
El concepto anterior de viga puede aplicarse a
las dos direcciones de la superficie de la cubierta transparente,
pero habida cuenta de la disposición vertical de los tubos 25, o
del panel 28, sólo cabe ponerlos en sentido asimismo vertical, tal
como se muestra en la figura 7, que corresponde a un corte
transversal horizontal. La idea corresponde a dividir el haz de
tubos 25, o el panel 28 original en secciones separadas, paralelas,
que van encajonadas en la parte correspondiente del cajón 100,
separadas entre sí por los rectángulos 30, hechos bien de vidrio,
bien de material metálico reflectante. Cada uno de los
sub-haces de tubos, o trozo de panel, tiene una
conexión hacia el exterior por la parte posterior del panel, como
se muestra en las figuras 1 y 2. En la figura 7, similar a la 2, se
ve como para cada sub-haz de tubos de dispone del
tanque embebido en la pared posterior, al cual conectan los tubos,
tanto por el interior del cajón 100 como por el exterior. En la
figura 7, al igual que en la 2, sólo se han representado los
tanques superiores, de salida, 19, representando también las juntas
20, que los embeben, uno a uno, herméticamente en la pared, 7.
En la figura 8 se representa precisamente un
corte transversal vertical del alojamiento del tanque 19 en la
pared posterior 7. Al tanque llegan los tubos 18, de los cuales no
se representa la parte acodada en esta figura, que se centra en la
parte exterior del cajón 100. Se anota no obstante que el tanque ha
de estar recubierto por una junta de material tal como el grafito o
el carburo de silicio, que soportan bien las temperaturas del
fluido calorífero, tienen rigidez estructural y cierta elasticidad a
la compresión. Del tanque 19 salen hacia el exterior los tubos 21,
que van provistos de una válvula de cierre, 22, por si se ha de
interrumpir el paso del fluido. Con objeto de asimilar las
dilataciones y contracciones propias de los arranques y paradas, y
variaciones en la temperatura del fluido, los tubos 21 han de tener
también una parte en forma de codo, 31, que además envía al fluido
hacia arriba, pues en general habrá que conectar esta salida con la
entrada del colector siguiente, que estará a nivel superior. Con
objeto de uniformizar las temperaturas del fluido calorífero que
emerge del cajón 100 a través de los tubos 21, es pertinente
disponer de un tanque como el representado por el componente 32.
Así se prepararía adecuadamente la entrada del fluido en el
siguiente colector.
La figura 9 muestra una disposición alternativa
para la canalización, hacia la salida del cajón 100, del fluido
calorífero que ha ascendido por los tubos absorbentes de la
radiación solar. En este caso en la parte superior de los tubos 25
no se suelda, a cada uno, un tubo acodado 18, sino que la parte
superior de los tubos se suelda a un recolector común, dispuesto
horizontalmente, como se verá en una figura posterior. Este
recolector tiene forma de embudo, y lleva el flujo del fluido hacia
un conducto de salida, 34, que atraviesa la pared a través de una
junta o cojinete de tipo esférico, 35, de material similar a la
junta 20 antes presentada (aunque podrían utilizarse materiales más
económicos que el grafito, como es el propio corcho prensado, sobre
todo para aplicaciones de temperatura no muy alta, aunque su
deterioro será muy rápido, e incluso puede tener riesgo de
incendio, cosa remotísima con el grafito prensado o con el carburo
de silicio). El conducto 34 está aislado térmicamente en su
exterior, mediante el componente 36, que puede ser lana de vidrio u
otro aislante de alta temperatura.
La figura 10 es una variante de la 9, en la que
al haz de tubos 25 se le ha unido solidariamente por delante una
pantalla de absorción de la radiación, 27, con objeto de mejorar la
redistribución de la carga térmica que incida sobre el colector, que
no siempre será uniforme.
La figura 11 representa el corte vertical del
montaje anunciado en las figuras 9 y 10. En ella se aprecia en la
parte superior el recolector-embudo 33 que recoge el
fluido ascendiente, y lo canaliza hacia el conducto de salida 34,
que tiene una válvula de cierre, 37. Pero así mismo se puede ver
que el fluido calorífero ha ascendido hacia lo alto del componente
38. Este corresponde a una matriz o cuerpo por donde pasa el fluido
calorífero, diseñada en este caso para encajar en la modalidad
presentada en esta figura, la cual se caracteriza porque los tubos
tienen una pendiente oblicua a los recolectores o distribuidores de
fluido inferior y superior, con objeto de asimilar mejor las
dilataciones y contracciones. La matriz puede ser de un haz de tubos
como los del componente 25, o un panel de superficie plana como el
componente 28, pero siempre con disposición algo oblicua a los
cabezales de principio y fin de recorrido del fluido, representados
por el recolector 33, el redistribuidor 39 y el distribuidor 41,
todos ellos denominados genéricamente cabezales.
En este montaje el fluido calorífero entra por
el conducto 42, que se puede cerrar mediante la válvula 44, si se
quiere cerrar hidráulicamente ese circuito, y está aislado por el
aislante térmico 45. El conducto 42 se asienta en la pared posterior
7, merced a la junta 43. El fluido asciende verticalmente del
componente 40, que puede ser un haz de tubos como 25, pero con
montaje algo oblicuo para favorecer la asimilación de dilataciones
y contracciones; o un panel de superficie exterior plana como el 28,
así mismo oblicuo. En todo caso, la parte superior de 40 entronca
con el tanque 39 de manera hermética, por lo general con soldadura,
donde el caudal se redistribuye, uniformizándose la temperatura. A
partir del tanque 39 el flujo sigue ascendiendo, en este caso a
través de la matriz superior de paso del fluido, 38, hasta llegar al
recolector-embudo 33, que enviará el fluido
calorífero hacia el exterior del cajón 100, por el conducto 34, ya
presentado en las figuras anteriores.
En la figura 12 se presenta una vista frontal
del montaje de las figuras 9, 10 y 11, enmarcada en la fachada
frontal 4, pintada o con una capa adherida de muy alta
reflectividad a la radiación. En este caso tanto la parte inferior
de la matriz de paso del fluido, 40, como la superior, 38, están
representadas por un haz de tubos, pero podrían también
configurarse como un panel como el componente 28. A altura
intermedia se ve el tanque redistribuidor 39, y en la parte superior
el recolector-embudo 33 y la marca a trazos
(sección recta) del conducto 34.
La figura 13 es análoga a la anterior, pero en
ella se ha eliminado el tanque redistribuidor intermedio, por
simplicidad, y la matriz de tubos, 38, va en este caso de abajo
arriba sin interrupción, desde el distribuidor 41 hasta el
recolector-embudo 33. Hay que recordar, como se
evidencia en la figura 11, que los tubos, o el panel, que conformen
la matriz, han de tener cierta oblicuidad respecto de los cabezales
correspondientes de arriba y abajo, para asimilar bien las
dilataciones y contracciones. La figura 14, que es análoga a la 7,
aborda la resolución de un problema ya mencionado: las fuertes
tensiones mecánicas que va a soportar la cubierta transparente por
la diferencia de presiones entre sus dos caras. Para relajar estas
tensiones, se pueden emplear cubiertas curvas con concavidad hacia
el interior del cajón 100, que trabajan mejor a compresión, y eso
se manifiesta en esa figura, con la cubierta 46. Esta cubierta se
ha representado en este caso como un conjunto de
semicircunferencias, que corresponden a las secciones rectas de
semi-cilindros o bovedillas cuyas generatrices
corren paralelas a los tubos, por ser esta la bovedilla la figura
geométrica que mejores prestaciones tiene para soportar el empuje de
la presión externa, cuando en el interior hay vacío o una presión
muy pequeña. Se ha empleado a tal efecto la disposición de
sub-haces de tubos 25, presentada en la figura 7,
pues la reducción del vano a cubrir por cada bovedilla longitudinal
de vidrio, que así pueden describirse las piezas 46 de la figura
14, proporciona más robustez a esta disposición.
En la figura 15 se detalla el tipo de junta
empleada para atravesar de manera hermética la pared posterior 7
del cajón 100 del colector, según los montajes de las figuras 9, 10
y 11, particularizado, en la numeración, para el conducto superior.
Se aprecia en ella la pared 7, en la que se efectúa un rebañado
esférico para alojar la junta 35, que es una esfera en la que se ha
practicado una oquedad cilíndrica, teniendo como eje uno de sus
diámetros. En dicha oquedad se ha de alojar el tubo del conducto
34.
Para efectuar el montaje de manera más simple,
se propone la configuración de la figura 16, en la cual la esfera
35 original se divide en dos mitades, antes o después de haber
practicado la oquedad cilíndrica para alojar el tubo 34, que en este
caso se puede abrazar por las dos partes semiesféricas, 47 y 48, de
manera más simple que haciendo pasar el tubo por la oquedad. En
este caso se cuenta además con la presión que se produce de afuera
a adentro del cajón 100, por la diferencia de presiones.
La figura 17 recoge una solución para dar mayor
resistencia a la cubierta transparente 2, similar a la planteada en
la figura 7, pero en este caso para el montaje presentado en las
figuras 9, 10 y 11. Este montaje tiene la ventaja de que perturba
menos la pared 7, que se ha de agujerear, para el paso de los tubos
del fluido, en menor proporción, En esta figura 17 se aprecian los
elementos 30, hechos opcionalmente del mismo material que la
cubierta transparente, o de una placa metálica de alta reflectancia,
dispuestos en paralelo a los haces de tubos o paneles de la matriz
de paso de fluido. Los elementos 30 están apoyados de canto en la
pared posterior 7, y por el otro lado en la cubierta 2, recibiendo
por tanto parte de la presión ejercida sobre la cubierta
transparente (otra parte es soportada por el cerco 3 de la cubierta,
en su encastre a la pared frontal 4).
Aún con la ayuda de los soportes intermedios 30,
el problema de la resistencia estructural de la cubierta de vidrio
es complicado, sobre todo si se desea usar una superficie muy
extensa. Ante ello cabe pensar en mantener en el interior del 100
cierto valor de presión, que eventualmente podría ser igual al de
la presión atmosférica circundante, lo cual llegaría a anular las
solicitaciones mecánicas de la cubierta, y por tanto se
garantizaría la durabilidad de ésta. Pero ello significa mantener
una gas en el interior, lo cual comporta dos graves problemas; el
ataque químico a la pintura o capa adhesiva de alta absortividad
que debe cubrir la superficie exterior de los tubos o paneles
absorbedores de la radiación solar, y el aumento de las pérdidas
térmicas por convección, pues el gas interior desarrollaría
corrientes de convección que calentarían el vidrio, lo cual a su
vez suscita otro problema: el paso de un apreciable flujo de calor
a través del vidrio provocaría una mayor temperatura en su cara
interna que en la externa, y esa diferencia de temperaturas daría
lugar a tensiones mecánicas de origen térmico, que también podrían
romper el cristal.
Respecto de evitar el ataque químico, la
solución es usar en el interior del cajón 100 un gas inerte, como
nitrógeno o dióxido de carbono, pero no aire ni ningún otro
compuesto con un agente oxidante. Pero a esto se añade un problema
nada pequeño, que mecánicamente puede ser mayor incluso que el
problema original de la presión atmosférica: y es el hecho de que
la presión del gas en el interior del cajón 100 no será constante,
sino que dependerá de la temperatura que tenga, que será la
ambiente cuando no haya sol, pero será mucho más alta cuando el
panel reciba la radiación solar concentrada. En temperatura
absoluta, estamos hablando de pasar de menos de 300 K a más de 900
K para muchas aplicaciones, e incluso más. Ello significaría que la
presión se multiplicaría por 3, de modo que si en frío estaba a una
atmósfera de presión, en caliente estará a 3. Lo cual provocaría
enorme tensiones mecánicas internas en el vidrio, que difícilmente
soportaría.
La solución a este problema se presenta en la
figura 18, en la que se aprecia un sistema de tuberías, válvulas,
tanques y compresor cuyo funcionamiento permite mantener la presión
dentro del cajón 100, en el valor requerido, que típicamente será
el de la atmósfera circundante, Se dispone a tal efecto de una
pequeña tubería de extracción de gas, 49, cuyo flujo puede
impedirse por cierre de la válvula 50. Esta válvula por lo común
estará abierta, y el control de paso de flujo lo efectuará una
válvula adicional, 51, que funciona por diferencia de presión, y con
paso unidireccional. Para ello pueden usarse válvulas
convencionales mecánicas o electro-mecánicas,
taradas las primeras según la fuerza de un muelle que cierra el paso
de gas desde el cajón 100 hacia fuera de él. Esta válvula puede ser
similar a las válvulas de muelle y bola que cierran el paso de gas
desde las botellas de butano y similares. Si la presión en el cajón
100 iguala o supera ligeramente la presión atmosférica circundante,
el muelle cede, y va pasando gas desde el interior del cajón 100
hacia el tanque 52. En el caso electro-mecánico, se
efectúa la medida electrónica de la presión del gas interno,
gracias a un transductor presión-señal eléctrica, y
si ésta supera el nivel prefijado, el mando eléctrico de la válvula
ordena su apertura, hasta que la señal de presión baja hasta
estabilizarse con la del exterior. El gas así fugado, por uno u otro
procedimiento de apertura de la válvula 51, llega a un depósito o
tanque 52, que denominaremos de baja presión, pues ha de estar
siempre por debajo de la presión exterior atmosférica. Con objeto
de que esto sea siempre posible, hay que disponer de un compresor,
53, que toma el gas en exceso del tanque 52, cuando la presión de
éste sube por encima de su nivel nominal, y se acerca a la
atmosférica más de lo permitido en el diseño, y lo pasa al tanque
de alta presión, 54. Desde éste, puede volver el gas al interior
del cajón 100, cuando éste se va enfriando, y por ende disminuyendo
su presión. Para ello se cuenta con la tubería 55, en la cual hay
una válvula que actúa por diferencial de presión, 56, similar a la
51 pero con otro sistema de gobierno, y una válvula de cierre
hidráulico 57. En concreto, la válvula 56 tiene por objeto insuflar
gas dentro del cajón 100 cuando su presión es más baja que la
atmosférica. Su control puede hacerse por medida electrónica de la
presión, y actuación electromagnética, que hoy día suele ser lo más
fiable, o por válvulas de muelle, con un sistema de regulación
similar a los que mantienen la presión constante en la alimentación
de gas a las cocinas de butano, o mantiene la presión en las
boquillas de respiración en el buceo con botella de aire
comprimido. En todo caso, esas válvulas no son parte de la
invención, pero sí lo es el circuito en su conjunto para mantener la
presión constante dentro del cajón 100, lo cual anula las tensiones
mecánicas en la cubierta transparente, causadas por la diferencia
de presión entre el exterior y el interior.
Quedan no obstante las tensiones mecánicas
inducidas por diferencia de temperaturas entre las caras de un
mismo cuerpo. El origen de estas tensiones es sencillo: la parte
más caliente intenta dilatarse más que la media del cuerpo, mientras
que la parte fría intenta dilatarse menos. Pero en una placa como
la cubierta transparente, la deformación tiene que ser
prácticamente la misma, pues no puede haber un deslizamiento
significativo de unas moléculas respecto de otras; y ello origina
tensiones de tracción en la parte más fría del cuerpo, con el máximo
de tensión de tracción en la cara exterior fría, y tensiones de
compresión en la parte caliente, con el valor máximo en la cara
caliente. Para un vidrio son especialmente dañinas las tensiones de
tracción, sufridas por la parte fría. Si llamamos "D" a la
semidiferencia de temperatura entre ambas caras, "A" al
coeficiente de dilatación lineal del material expresado en 1/K, y
"E" a su módulo de Young o módulo elástico (admitiendo que no
se sobrepasa el campo elástico, pues si se sobrepasa, quebraría con
seguridad la cubierta) la tensión máxima "R", en valor
absoluto, adquiere el valor
R =
E*A*D
En general, no se podrá admitir que el cociente
R/E sea mayor que 0.001, e incluso se puede poner como límite el
valor de 0.0001, para tener margen de seguridad, lo cual significa
que el producto A*D está limitado a ese cociente. Según los vidrios,
el coeficiente de dilatación estará entre 10^{-6} y 10^{-5}
K^{-1}, por lo cual las semidiferencias de temperaturas admitidas
entre las caras deberán estar limitadas a 100 K en el caso de
vidrios con escasa dilatación, y 10 K para vidrios de mayor
dilatación.
A su vez estas diferencias tienen repercusión en
el máximo flujo de calor que se puede admitir a través de la
cubierta, que seguirá la ley de Fourier, que podemos expresar en
función de la semidiferencia "D" de temperaturas entre ambas
caras, del espesor del vidrio "V" y de su conductividad
"C". El flujo de calor "Q", en vatios por metro cuadrado
de superficie de vidrio, máximo admisible, que produciría dicha
semidiferencia "D", sería
Q =
2*D*C/V
Para una cubierta con 0,01 metros de espesor, y
una conductividad de 1 W/(m.K) una semidiferencia representativa,
de 25K, daría un flujo máximo admisible de 5.000 W/m^{2}.
Ese flujo condiciona a su vez la máxima
diferencia de temperaturas que puede haber entre el gas del
interior del cajón 100 y el aire exterior, pues se han de cumplir la
ley de Fourier y la ley de Newton de la convección, para el sistema
térmico en su conjunto, formado por tres capas sucesivas de
material: la capa de convección del aire exterior; el vidrio; y la
capa de convección del aire interior. Tanto ésta, como la primera,
estarán caracterizadas por sus coeficientes de película respectivos.
Como valores indicativos podemos tomar 20 W/(m^{2}.K) para el
aire exterior, y 5 W/(m^{2}.K) para el gas interior. Si llamamos
"M" a la máxima diferencia de temperaturas que podemos aceptar
entre el gas interior y el aire exterior, con los datos
anteriormente dichos, tendríamos que el valor de M habría de
cumplir
Q = (1/20 + V/C
+
1/5)-1*M
De donde, con los datos anteriormente supuestos
para C y V, se tiene
M = 0,26*Q =
1.300
K
Por lo común la diferencia en condiciones de
trabajo será la mitad del valor anterior, o menos, lo cual
significa que hay mucho margen para que las tensiones mecánicas
causadas por diferencias térmicas en la cubierta de vidrio queden
dentro del régimen elástico, y por tanto no generen defectos
permanentes o puedan romper la cubierta. De modo que el montaje
propuesto en la figura 18 es absolutamente procedente, desde el
punto de vista constructivo, si bien desde el punto de vista térmico
tendrá más pérdidas que los paneles de vacío; pues en éstos la
convección estará prácticamente inhibida. En contra de los paneles
de vacío está que la diferencia de presiones puede romper el
vidrio, a no ser que éste se haga muy pequeño en superficie, lo
cual impone condiciones muy drásticas para el enfoque de la
radiación concentrada, pues los espejos no deberían ser tan
pequeños, dado que en tal caso saldría muy caro el conjunto de
helióstatos, soportes y seguidores solares incluidos.
Una alternativa ya comercial es usar vainas
cilíndricas de vidrio para cada tubo, haciendo el vacío dentro de
cada vaina. El problema es que el dispositivo resulta caro, pues se
han de soldar los extremos de la vaina de vidrio a un fleje que a su
vez se suelda al tubo, para preservar el vacío. El fleje intermedio
hace falta para absorber la dilatación diferencial entre el vidrio
y el tubo. Junto a este problema técnico, económico y de
mantenimiento, existe otro en cuanto al rendimiento de captación,
pues los tubos absorbentes no pueden estar casi tangentes entre sí,
sino que se ha de dejar espacio para que quepan las vainas y su
vacío, lo cual hace que una parte de la radiación enfocada hacia el
colector, no incida sobre la superficie absorbente, lo que hace que
el rendimiento neto, sobre la luz originalmente captada por el campo
de helióstatos, resulte perjudicado, y menor de lo que sería si la
superficie de absorción hubiera ocupado toda la apertura de la
cubierta transparente.
La alternativa propuesta en esta invención no se
basa en emplear tubos absorbedores encapsulados en vainas de
vidrio, solidarios entre sí por el fleje soldado a ambas partes,
sino bovedillas longitudinales de vidrio, encastradas en la pared
frontal del cajón 100 y, cuando corresponde, en su pared trasera, o
incluso sobre piezas de canto 30, pero no soldadas ni solidarias
con los tubos absorbedores de radiación. Por los extremos de arriba
y abajo, las bovedillas irían encastradas, a través de sus juntas
correspondientes tipo 3, en las paredes superior e inferior del
cajón 100. Esto es particularmente útil con la disposición de
sub-haces de tubos 25, presentada en la figura 7,
pues la reducción del vano a cubrir por cada bovedilla longitudinal
de vidrio, proporciona más robustez a esta disposición.
\newpage
Una cuestión elemental a aclarar es que el
sistema de mantenimiento de la presión puede servir al mismo tiempo
a muchos colectores en paralelo, aunque cada uno pueda tener una
evolución diferente por las temperaturas interiores, lo cual se
tendrá en cuenta en las válvulas de regulación de extracción e
insuflación de gas. Lógicamente, los volúmenes de los tanques
tendrán que estar en consonancia con los volúmenes de gas de los
cajones a controlar, e igualmente la potencia del compresor.
Concretamente, el volumen del tanque 52 de baja presión debe ser
igual a la suma de volúmenes del interior de los cajones a los
cuales está conectado por tubos tipo 49, en paralelo entre ellos,
con válvulas tipo 51 en cada tubo, reforzando la carcasa del tanque
52 para soportar diferencias de presión igual a la presión
atmosférica; y siendo el tanque 54 de alta presión de volumen
similar, aunque reforzado en su carcasa para soportar presiones
interiores cinco veces como mínimo la presión atmosférica.
La figura 19 muestra un montaje análogo de
regulación de la presión, aplicado en esta caso a la configuración
del colector dada en la figura 1. Obviamente el sistema, que sirve
para evitar tensiones mecánicas inadmisibles en la cubierta
transparente, por diferencias de presión, cabe aplicarlo a
cualquier montaje de los aquí descritos, y a cualquier otro que use
o necesite una cubierta transparente, aunque sólo sea para que el
oxígeno del aire no ataque a la pintura o recubrimiento de alta
absortividad de la matriz de paso del fluido calorífero.
Queda, no obstante, el problema de unas pérdidas
excesivas por convección a través del cristal. Éstas se pueden
reducir a base de dejar poco espacio en el cajón 100, para que el
gas inerte interior no disponga de un volumen amplio para poder
evolucionar. Esto tiene sus limitaciones, pues el cajón 100 ha de
tener espacio suficiente para poder alojar los tubos acodados 17 y
18 en montajes como los de la figura 1, o cabezales como los 33 y
41 en los montajes como los de la figura 11. Téngase en cuenta que
la longitud horizontal de los tubos 17 y 18 es importante para
absorber las dilataciones y contracciones del cuerpo o matriz de
calentamiento del fluido, 11. También es cierto que en los
movimientos de absorción de esas variaciones, ayuda la disposición
efectuada de tanques embebidos en la pared posterior, designados con
15 y 19 en la figura 1. Más aun, el pequeño giro de esos tanques
dentro de sus juntas, se transmite a los tubos correspondientes
exteriores, 13 y 21 respectivamente, lo que permite acomodar mejor,
a su vez, las deformaciones de estos últimos, pues también se
dilatan al calentarse, y se contraen al enfriarse, dándose los
movimientos deformativos de forma acompasada, lo que facilita la
compensación de dilataciones y contracciones, pero impide que el
cajón 100 pueda hacerse tan estrecho como se quiera, por lo dicho
de los tubos 17 y 18.
En la figura 20 se muestran las dos propuestas
de esta invención ideadas para reducir eficientemente las pérdidas
térmicas por convección a través de la cubierta transparente (que
no se puede aislar como se aísla el resto de las paredes del cajón
100).
Por un lado se reduce el coeficiente de película
de convección interna, incorporando unos elementos que perjudican
el desarrollo de corrientes convectivas dentro del cajón 100. Éstas
se desarrollarán por ascender el gas que se calienta en la parte
frontal del cajón 100, donde está la superficie de absorción, que
será la parte más caliente, y tenderá a bajar por la parte trasera
del cajón 100, que será la más fría. Para ello se colocan una
especie de aletas o lengüetas que entorpecen esos movimientos, y que
corresponden a los elementos 58, 59 y 60. Estas aletas pueden estar
hechas del mismo material que la pared interna 61, y al igual que
ésta, deben ir pintadas o recubiertas con la capa 8, que debe
poseer gran reflectividad a la radiación. Las aletas deben llevar
la inclinación descrita en la figura, que es de aproximadamente unos
45º respecto de la pared a la que van unidas, para oponerse más
eficientemente al movimiento convectivo del gas de llenado.
Por otro lado se ha de reducir el coeficiente de
película por el lado del aire exterior, para lo cual la invención
consiste en disponer de un doble cristal, pero no con el vacío
interior que se suele colocar en los casos de pequeña superficie de
vidrio, sino con un mecanismo tal que en su interior siempre exista
la misma presión que la atmosférica circundante, que a su vez es la
que habrá en el interior del cajón 100, lo cual eliminará las
tensiones mecánicas causadas por diferencias de presión. Téngase en
cuenta que un vidrio de 10 m^{2} que tuviera una presión de 1
atmósfera en una cara, y vacío en la otra, estaría aguantando una
carga de 100 toneladas. De ahí la importancia de que las dos
cubiertas propuestas para reducir las pérdidas de convección por el
exterior, estén separadas por un pequeño huelgo de aire siempre a
presión atmosférica, pero sin convección interna, para lo cual ha
de ser un huelgo muy delgado, aunque en la figura 20 parezca muy
grueso, pues la claridad deseable en el dibujo, impide que esté a
escala. Dicho huelgo, 64, está en la parte exterior de la cubierta 2
que cierra frontalmente el cajón 100, y a su vez queda confinado
por el exterior mediante una segunda cubierta 65, de
características análogas, por no decir idénticas, que la 2. La
cubierta 65 va encastrada en la pared frontal 4 mediante el cerco
que proporciona la junta 66, similar a la junta 3.
La presión en el interior del huelgo 64 se
mantiene igual a la atmosférica circundante porque está comunicado
con el aire circundante a través de un pequeño orificio, o conjunto
de orificios, 67, que horadan la parte inferior de la pared frontal.
A través de esos orificios se compensa la presión, pues en caso de
que aumentara ésta en el huelgo 64, las moléculas de aire tenderían
a salir por los orificios, y al contrario en los casos de
enfriamiento. Por descontado que a lo largo de los orificios se
produciría una pequeña pérdida de presión, por lo cual las
presiones tardarían un tiempo en equilibrase, pero la
descompensación de presiones sería muy pequeña, de unas decenas de
Pascales, lo cual representaría muy pequeñas solicitaciones
mecánicas en ambas cubiertas, 2 y 65.
Un tema importante a prever es que las cubiertas
no deberían ensuciarse por los lados del huelgo, lo que significa
que por los orificios se debe evitar que entre polvo, ni insectos.
Para ello se han de acondicionar unos filtros tipo tela de
mosquitero, como los indicados esquemáticamente en los elementos 68
y 69, en los extremos de los orificios.
En la figura 21 se presenta un esquema de la
disposición constructiva que pueden adquirir estos colectores, para
satisfacer su fin útil. Para ello se debe contar con un campo de
helióstatos 70. Aunque en la figura se dibuja que hay un espejo
orientado a cada colector, en principio serían una o varias filas
de éstos, las que harían incidir su luz reflejada sobre un
colector, de tal modo que la superficie de los espejos incidiendo
sobre un colector, podría ser 100 veces, y más, la superficie
absorbente del colector. En la figura se representa la radiación
solar directa 71, y la que incide sobre los colectores, 1, que
puede ser 100 veces, o más, la intensidad de la original 71, según
la concentración. Cada colector en su conjunto, 72, iría colgado,
según se verá en una figura posterior, de las ramas 73 de la
estructura 74, que en su conjunto soporta la instalación de
captadores o colectores solares. Esta estructura puede ser metálica
o de hormigón armado, y constará esencialmente de pilares y vigas,
entre las cuales habrá unas de carácter especial, las antes
mencionadas ramas, 73, de las que penden los colectores. Según el
montaje que se escogiera, éstos llevarían asociado el sistema de
compensación de la presión, 75, que en la figura, por motivos de
claridad, sólo se ha representado unido al colector de más abajo,
pero que podría atender a todos, en cada caso con sus válvulas
correspondientes, tipo 50, 51, 56 y 57.
El fluido calorífero llegaría a la instalación,
procedente del bloque de conversión de energía o de la aplicación
útil, por la tubería 76, y recibiría la impulsión de la bomba 77
para superar la pérdida de altura manométrica del todo el circuito
que ha de recorrer, hasta salir por la tubería 78, con una
temperatura mucho mayor que la de entrada. En ese recorrido habría
tanques, 79, para homogeneizar la temperatura de los ramales
paralelos de fluido que pudiera haber, y para absorber variaciones
de velocidad y densidad inducidas por transitorios. Aunque en la
figura no esté representado, tanto los tanques 79, como las
tuberías 76 y 78, y el sistema 75 de compensación de la presión,
han de ir aislados térmicamente, para evitar pérdidas, lo cual no
forma parte de la invención.
En la figura se deben destacar los elementos 80,
que son las piezas de las que penden los colectores, que quedan
solidariamente unidos a la estructura, pero pueden dilatar
libremente en su conjunto. Las piezas 80 se ensamblan a las orejetas
81 representadas en la figura 22, y de las cuales hay dos, una a
cada lado de la parte superior del cajón 100 del colector, soldadas
o atornilladas a la pared exterior superior. El ensamblaje puede
hacerse por soldadura, pero en la figura 22 se han representado las
orejetas 81 con taladros 82, que podrían ser la manera más simple de
anclaje, mediante tornillos pasantes y tuercas.
La figura 22 es útil también para explicar el
método de ensamblaje del conjunto colector. Para ello téngase en
cuenta que éste se ha de constituir a partir de piezas individuales
como las marcadas con su numeración correspondiente en las
explicaciones precedentes, parte de las cuales se puede soldar o
conjuntar previamente, y éste es el caso de la circuitería del
fluido calorífero, desde la tubería de entrada 13 hasta la de
salida 21, si se ha optado por esta disposición interior de la
matriz 11, o alternativamente desde el conducto 42 al 34. Aparte se
preparan las partes del cajón 100 que ahora se identificarán, así
como las juntas para embeber los tanques 15 y 19 en la pared 7, y
la junta-cerco 3 para encastrar la cubierta 2.
Las paredes del cajón 100, que corresponden a
una estructura bocadillo, con el aislante térmico de relleno, y las
paredes metálicas en una y otra cara, se preparan en cuatro partes,
numeradas 83, 84, 85 y 86. La primera corresponde al cuarto
superior, y se asienta sobre la junta 20 del tanque 19, a cuyo
nivel llega. Por la parte de delante limita con la parte superior
de la junta cerco 3. Por los laterales está simplemente cortado, en
bisel u otro modo que favorezca la soldadura con el siguiente cuarto
84. Y por la parte superior limita con el rebajo practicado para
encastrar la junta correspondiente, bien la 20 en un tipo de
montaje de la figura 1, bien la 35, de la figura 1. En ese nivel se
ha de asentar el trozo de circuito embebido en la pared 7, bien el
tanque 19, bien el conducto 34, según el tipo de montaje.
Por la parte inferior se hace la maniobra
simétrica con el cuarto inferior, 86, encastrando la cubierta 2 en
la junta cerco 3; y disponiendo la junta 16, o la junta esférica 43
(según el montaje escogido), en el tope de esa pieza 86, en su parte
posterior, para asentar después en la junta bien el tanque 15, bien
su alternativa, que es el conducto 42. De esta manera sólo queda
cerrar el cajón 100 por los laterales y la trasera de los dos
cuartos intermedios, que también tienen una pequeña pestaña en la
parte delantera, para encastrar la parte correspondiente de la
junta-cerco 3. Lo más importante es cerrar la parte
posterior, que ha de encastrar herméticamente el cajón 100, con los
elementos del circuito que atraviesan esa pared. Para ello, los dos
cuartos intermedios 84 y 85, han de apretar fuertemente esas
penetraciones, con sus juntas respectivas, lo cual se consigue tal
como se representa en la figura 22, mediante el acoplamiento de dos
partes con una cuña intermedia, 87, siendo el conjunto más alto de
lo necesario, para que la cuña obligue a los cuartos intermedios de
la pared, 84 y 85, a apretar los elementos encastrados en dicha
pared. Para que la cuña no sea expelida hacia fuera, se suelda a lo
largo de toda su longitud, lo cual además es necesario para terminar
de dar rigidez y hermeticidad al sistema. En la figura se
esquematizan los cordones de soldadura por los elementos 88.
La forma completa de la cuña 87 se ve en la
figura 23, en la cual se aprecia que la cuña continua, hasta el
cierre de su ángulo, por las paredes laterales del cajón 100 en las
cuales también se ha de producir la soldadura, a lo largo de los
bordes 90, del lateral 89, y su simétrico por el otro lado.
Habida cuenta del peso que ha de aguantar el
cajón 100, y de las deformaciones, pequeñas pero apreciables,
provocadas por las dilataciones y contracciones, es pertinente
reforzar las paredes del cajón 100, sobre todo en los ángulos. Para
ello se propone la disposición de la figura 24, en la que las
aristas entre superficies perpendiculares están revestidas de una
pletina en ángulo, de resistencia y espesor mayor que el de la
propia piel o pared exterior del cajón 100, sobre la que deben ir
solidarias, preferiblemente soldadas. Así pues, las superficies
superior, 91, posterior 92, y lateral 93, representadas en el
triedro de la figura 24, se refuerzan en sus aristas, mediante las
piezas 94, 95 y 96. De igual modo se hace en las simétricas de los
otros triedros del cajón 100. Así mismo es importante, aunque no se
ha representado en la figura, que las orejetas 81 vayan soldadas
sobre las pletinas de refuerzo. La forma típica de estas pletinas
97 se representa en la figura 25 como un diedro de ángulo recto 98,
cuyos extremos longitudinales 99 están biselados, en 45º, para poder
ensamblarse con las otras dos pletinas de cada diedro, al confluir
en los triedros del cajón 100.
Así, por tanto, de forma preferente, la
invención puede realizarse a partir de cualquier panel de canales o
tubos absorbedores de energía solar, entendiendo por esto que tenga
buena resistencia mecánica y buena conductividad térmica, y que
pueda pintarse, o recubrirse con un adhesivo, para que su
superficie tenga muy alta absortividad a la radiación solar, y
tenga muy baja emisividad térmica. En la invención, un haz de estos
tubos se ensambla en paralelo y verticalmente, para constituir la
matriz o cuerpo principal de paso del fluido calorífero, que se
calentará al ascender por los tubos del haz, 25, donde incidirá la
radiación solar 1, en general concentrada mediante la reflexión de
un campo de helióstatos 70 convenientemente orientados para
satisfacer dicha reflexión (como se muestra en la figura 21). Cada
uno de los tubos del haz 25 se unirá por su parte inferior,
solidariamente, en general mediante soldadura, a un tubo, 17, de
diámetro algo menor, y con un codo en 90º que hace que su otro
extremo sea horizontal, y se una, también solidariamente, con un
tanque 15, del que por el otro lado, diametralmente opuesto a la
conexión de los tubos 17, salen tubos, 13, formando el haz de
llegada del fluido calorífero al colector en cuestión; siendo dicho
tanque 15 de cuerpo cilíndrico, y asentado horizontalmente, con
remates semiesféricos en sus dos extremos, y estando encastrado el
citado tanque 15 en un paramento de rigidez física, que llamaremos
pared posterior 7, y en el cual se embebe por intermediación de una
junta 16 que lo recubre en todo su volumen, siendo la junta de
material aislante térmico sólido con buenas propiedades a la
compresión elástica con deformaciones admisibles del orden de 0,1%,
y punto de fusión muy superior a la temperatura de trabajo del
fluido calorífero.
Por el extremo superior de cada tubo del haz 25,
se unen solidariamente otros tubos, 18, de diámetro algo menor, y
con un codo en 90º que hace que su otro extremo sea horizontal, y
se una, también solidariamente, con un tanque 19, del que por el
otro lado, diametralmente opuesto a la conexión de los tubos 18,
salen tubos, 21, formando el haz de salida del fluido calorífero
desde el colector en cuestión; siendo dicho tanque 19 de cuerpo
cilíndrico, y asentado horizontalmente, con remates semiesféricos en
sus dos extremos, y estando encastrado el citado tanque 19 en un
paramento de rigidez física, que es la pared posterior 7, y en el
cual se embebe por intermediación de una junta 20 que lo recubre en
todo su volumen, siendo la junta de material aislante térmico
sólido con buenas propiedades a la compresión elástica con
deformaciones admisibles del orden de 0,1%, y punto de fusión muy
superior a la temperatura de trabajo del fluido calorífero.
El conjunto constituido por los tubos 13 de
llegada del fluido calorífero (véase figura 1), el tanque 15 al que
llegan, los tubos acodados 17 dispuestos en haz paralelo, que salen
del citado tanque, y llegan por abajo a los tubos verticales,
asimismo en haz, 25, que absorben la radiación solar, y se conectan
desde su extremo superior a los tubos acodados 18, que van a dar en
el tanque 19, del que emergen los tubos de salida 21, constituyen
el circuito termo-hidráulico seguido por el fluido
calorífero, y es la base de la invención, pues merced a la
disposición propuesta, las dilataciones y contracciones
experimentadas por los materiales al variar la temperatura, son
fácilmente asimilables, sin causar tensiones ni daños inadmisibles
en esos elementos estructurales.
El haz de tubos 25 absorbedores de radiación
solar (figuras 3 a 5), y sus haces asociados de tubos inferiores
acodados, 17, y superiores, 18, se ubican dentro de un cajón
hermético 100 (figuras 1, 20 ó 22, entre otras) con paredes
compuestas de una placa interna resistente, 61, generalmente
metálica, una placa externa de material similar, 63, que en
conjunto dan rigidez al sistema, y una capa o volumen intermedio,
62, relleno de material aislante térmico; distinguiéndose en el
cajón 100 dos paredes singulares, que son la frontal, 4, en la cual
hay una abertura para que pase la radiación, y estando esa abertura
ocupada por una cubierta transparente 2, encastrada en la pared
frontal 4, por intermediación de una junta 3 que ocupa todo el
cerco perimetral de la abertura; y siendo la otra pared singular la
trasera, 7, en la que se embeben los tanques de entrada, 15, y de
salida, 19, del fluido calorífero, estando posibilitado el
alojamiento hermético de los tanques en la pared 7 por unas juntas,
16 y 20 respectivamente, de tal manera que los citados tanques
pueden girar ligeramente en el seno de sus respectivas juntas,
cuando las dilataciones o contracciones hagan variar las longitudes
de todos los tubos del circuito, y modifiquen asimismo el ángulo de
los codos de los tubos 17 y 18.
En la pared del cajón 100, preferiblemente en su
parte inferior, 6, existe un orificio, 9, para poder extraer por él
el aire interior y dejar vacío el interior del cajón 100, por
acción de un compresor succionador, existiendo además una válvula de
cierre, 10, de dicho orificio 9.
En el haz de tubos absorbentes verticales, 25, a
media altura de los mismos, se puede interponer un tanque 26 de
homogeneización de temperatura entre los caudales de los diversos
tubos (figura 4). Ello es útil para equilibrar la carga térmica que
lleva cada tubo, que puede ser muy diferente de unos a otros, por
no poder asegurarse el enfoque uniforme de la radiación sobre el
haz de tubos.
Cabe la alternativa, respecto del montaje ya
descrito, de poner una pantalla metálica, 27, (figura 5) en la
parte frontal del haz de tubos 25, siendo el material de la pantalla
de alta conductividad, y estando pintada o recubierta con una
sustancia adherida que sea de alta absortividad a la radiación y
baja emisividad, y estando la pantalla unida solidariamente a los
tubos del haz, preferiblemente por soldadura.
Para evitar que se deposite una apreciable carga
térmica en las paredes del cajón 100, que no están refrigeradas y
por tanto podrían alcanzar muy alta temperatura, su superficie
exterior debe estar pintada o revestida de una capa de alta
reflectividad a la radiación.
Así mismo, para evitar cargas térmicas
indeseables en la pared, la superficie de las paredes interiores
del cajón 100 deben estar pintadas o revestidas de una capa de alta
reflectividad a la radiación.
En un montaje alternativo al haz de tubos 25,
como matriz o cuerpo principal de canalización de paso del fluido
calorífero, se puede disponer un panel corrido de canales, 28,
(figura 6) siendo cada canal 29 de sección recta rectangular, y
teniendo el panel una superficie frontal plana, siendo el material
del panel de buena resistencia mecánica y buena conductividad
térmica, y estando su superficie pintada con una capa que tenga muy
baja emisividad térmica y muy alta absortividad a la radiación
solar, pudiendo dicha capa estar adherida por cola de contacto.
El haz de tubos 25 se puede fraccionar en
sub-haces (figuras 7 y 17), para alojar entre dos
sub-haces consecutivos, en paralelo a ellos, y por
ende verticalmente, unas piezas 30, rectangulares, del mismo
material que la cubierta 2, y por tanto de alta transparencia,
aunque alternativamente se pueden usar piezas 30 del mismo material
que el de la capa interior de la pared del cajón 100, con el mismo
recubrimiento altamente reflectivo, de tal manera que la cubierta 2
apoye en el canto de dichas piezas 30, que a su vez apoyan, también
de canto, en la pared posterior 7, habiendo en este caso, para cada
sub-haz, un conjunto específico de circuito
termo-hidráulico, formado por los tubos 13 de
llegada del fluido calorífero, el tanque 15 al que llegan, los
tubos acodados 17 dispuestos en haz paralelo, que salen del citado
tanque, y llegan por abajo a los tubos verticales, asimismo en haz,
25, que absorben la radiación solar, y se conectan desde su extremo
superior a los tubos acodados 18, que van a dar en el tanque 19,
del que emergen los tubos de salida 21 (figuras 1 y 8).
Todas las tuberías exteriores de llegada al
cajón 100 del colector, o emergentes de él, han de ir aisladas
térmicamente (figuras 1 y 8), y así mismo, en los conductos de
salida 21, existirá un parte acodada, 31, para enviar dichas
tuberías en sentido vertical, y disponiendo en cada haz de tuberías
21, tras el codo 31, un tanque 32 de homogeneización de la
temperatura y como punto de presión común.
Existe un montaje alternativo al haz de tubos 25
y los elementos asociados del circuito del fluido calorífero, en el
cual los tubos 25 no van unidos por abajo a los tubos acodados 17,
y por arriba a los 18, sino que en el montaje alternativo van unidos
los tubos verticales a sendos cabezales (figuras 9 a 11), que son
el distribuidor 41 por la parte inferior, y el
recolector-embudo 33 en la parte superior, estando
éste conectado al conducto de salida 34, que atraviesa la pared
posterior 7, a través de una fogonadura en la que se ubica una
junta de tipo esférico, 35, de material similar al de las juntas 16
y 20, y estando el cabezal inferior o distribuidor unido a un
conducto 42 de aportación del fluido calorífero, que atraviesa la
pared posterior 7, a través de otra fogonadura en la que se ubica
una junta de tipo esférico, 43, de material similar al de las
juntas 16 y 20
Para mejorar la redistribución de la carga
térmica entre todos los tubos del haz absorbente de radiación, el
haz de tubos 25 unidos a los cabezales puede ser revestido en su
parte frontal por una pantalla metálica solidaria a dichos tubos
(figura 10), preferiblemente mediante soldadura, siendo el material
de la pantalla de alta conductividad, y estando pintada o
recubierta con una sustancia adherida que sea de alta absortividad
a la radiación y baja emisividad.
Los tubos 25 unidos a los cabezales inferior,
41, y superior, 33, pueden ir montados (figura 11) con cierto ángulo
de inclinación, de unos 10º, y además se puede interponer a media
altura del haz un tanque 39 que será un punto de presión común, con
redistribución de caudales y uniformización de temperaturas.
Los haces de tubos 25, en la disposición en la
que se utilizan cabezales inferior, 41, y superior, 33, se pueden
agrupar en sub-haces de tubos paralelos (figura 17),
cada uno con sus cabezales correspondientes, y sus conductos
respectivos de entrada, 42, y de salida, 34, estando separados los
sub-haces de tubos mediante paramentos 30 hechos
del mismo material que la cubierta transparente, 2, aunque
alternativamente se pueden usar piezas 30 del mismo material que el
de la capa interior de la pared del cajón 100, con el mismo
recubrimiento altamente reflectivo, apoyados de canto sobre esta
cubierta 2 y sobre la pared posterior, 7.
Para mejorar el comportamiento mecánico de la
cobertura en el caso de hacer vacío dentro del cajón 100, la
cubierta transparente que cubre la abertura del cajón 100, para que
entre la radiación, puede ser curva en vez de plana (figura 14) como
es la pieza 2, estando en este caso la concavidad de la cobertura
curva 46 mirando hacia el interior del cajón 100, y siendo
aconsejable utilizar las disposiciones de sub-haces
de tubos 25 ó de sub-paneles 28, de tal manera que
las cubiertas de vidrio de cada sub-haz sean como
bovedillas longitudinales de vidrio, a lo largo del sentido vertical
del colector, estando encastradas en las paredes del cajón 100,
tanto frontal como trasera, rematando en sus extremos de arriba y
abajo por los encastres en las paredes superior e inferior. Esta
morfología de cubierta transparente en bovedillas puede usarse
tanto en el caso de usar tanques encastrados en la pared posterior,
tipo 15 y 19, como conductos, 42 y 34, embebidos en juntas
esféricas en dicha pared.
Como alternativa a mantener el cajón 100 en
vacío, o a muy baja presión, lo que ocasionaría altas
solicitaciones mecánicas en la cubierta transparente del mismo, el
interior del cajón 100 puede llenarse exclusivamente de un gas
inerte, como nitrógeno o anhídrido carbónico, cuya presión se
mantiene igual a la presión atmosférica circundante merced a un
dispositivo conformado por un tubo 49 de extracción de gas, y se
puede cerrar el paso del gas por una válvula de corte 50 que en
funcionamiento habitual estará abierta, habiendo en el mismo tubo
una válvula de regulación de paso de gas, 51, con operación
ordenada mecánica o electromecánicamente por la diferencia de
presiones entre la del interior del cajón 100 y la atmosférica,
abriéndose la válvula cuando la primera deviene mayor que esta
última, en cuyo caso el gas es recogido en un tanque 52 que estará
por debajo de dicha presión atmosférica, lo cual se logra (figura
18) mediante la acción de un compresor 53 que toma gas de dicho
tanque 52 y lo inyecta en un tanque 54 que está a presión por encima
de la atmosférica; desde el cual se puede inyectar gas de nuevo en
el interior del cajón 100 a través de un tubo 55, en el que hay una
válvula de regulación de paso del gas, 56, que se abre al medirse
un valor de la presión interior del cajón 100 por debajo de la
atmosférica, con operación de la válvula 56 ordenada mecánica o
electromecánicamente, habiendo además una válvula de cierre 57 para
corte total del paso del gas en caso necesario; y siendo el volumen
del tanque 52 de baja presión igual a la suma de volúmenes del
interior de los cajones a los cuales está conectado por tubos tipo
49, en paralelo entre ellos, con válvulas tipo 51 en cada tubo,
reforzando la carcasa del tanque 52 para soportar diferencias de
presión igual a la presión atmosférica; y siendo el tanque 54 de
alta presión de volumen similar, aunque reforzado en su carcasa
para soportar presiones interiores cinco veces como mínimo la
presión atmosférica.
Las paredes del cajón 100, que corresponden a
una estructura bocadillo, con el aislante térmico de relleno, y
placas metálicas en ambas caras, se preparan en cuatro partes,
numeradas 83, 84, 85 y 86, (figura 22) siendo la primera la del
cuarto superior, y se asienta sobre la junta 20 del tanque 19, o
alternativamente, según el montaje de circuito usado, se asienta en
la junta 35 del tubo 34, mientras que por la parte delantera limita
con la parte superior de la junta cerco 3; estando los laterales de
las paredes del cajón 100 simplemente cortados, en bisel u otro
modo que favorezca la soldadura con el siguiente cuarto 84, que por
su parte superior limita con el rebajo practicado para encastrar la
junta correspondiente, bien la 20 en un tipo de montaje, bien la
35; mientras que por la parte inferior se hace la maniobra simétrica
con el cuarto inferior, 86, encastrando la cubierta 2 en la junta
cerco 3; y disponiendo la junta 16, o alternativamente la junta
esférica 43 (según el montaje escogido), en el borde superior de
esa pieza 86, en su parte posterior, para encastrar después la junta
correspondiente, bien la 16 del tanque 15, bien su alternativa, que
es la 43 del conducto 42, cerrando el cajón 100 por los laterales y
la trasera de los dos cuartos intermedios, que también tienen una
pequeña pestaña en la parte delantera, para encastrar la parte
correspondiente de la junta-cerco 3; y cerrando la
parte posterior, que queda hermética al unir los dos cuartos
intermedios 84 y 85, mediante el acoplamiento de las dos partes con
una cuña intermedia, 87, siendo el conjunto más alto de lo
necesario, para que la cuña obligue a los cuartos intermedios de la
pared, 84 y 85, a apretar los elementos encastrados en dicha pared,
fijándose la cuña mediante soldaduras 88 a lo largo de toda su
longitud en la pared posterior, así como en las paredes laterales
del cajón 100 a lo largo de los bordes 90, de los laterales 89.
La cuña 87 está constituida (figura 23)
similarmente a la pared del cajón 100, con una parte exterior
metálica, rellena de material aislante, y abarca toda la anchura de
la pared posterior, teniendo unas prolongaciones 89 que se sueldan
a las paredes laterales del cajón 100.
Las aristas del cajón 100 (figuras 24 y 25), en
la confluencia de sus diversas paredes exteriores, se refuerzan con
diedros de pletina metálica tipo 94, 95 ó 96, en conjunción de
ángulo recto, 98, a lo largo de cada arista, estando los extremos de
cada pletina cortados en bisel de 45º, de modo que encajen bien en
los triedros de confluencia de tres paredes como las 91, 92 y
93.
Las juntas de tipo esférico, 35 y 43 (figuras 15
a 18), que se encastran en la pared posterior del cajón, en las
correspondientes fogonaduras para el paso de los conductos 34 y 42,
de salida y llegada del fluido calorífero respectivamente, se
construyen a partir de una esfera de material aislante sólido con
buenas propiedades a la compresión elástica con deformaciones
admisibles del orden de 0,1%, y punto de fusión muy superior a la
temperatura de trabajo del fluido calorífero, y en dicha esfera se
practica un taladro cilíndrico, cuyo eje coincide con un diámetro de
la esfera, siendo el radio del taladro igual al radio exterior del
conducto correspondiente que ha de pasar a su través.
Las juntas de tipo esférico, 35 y 43, que se
encastran en la pared posterior del cajón, en las correspondientes
fogonaduras para el paso de los conductos 34 y 42, se pueden
construir a partir de dos medias esferas 47 y 48, (figura 16) del
material indicado en el párrafo anterior, para ser montadas
alrededor del conducto correspondiente, afianzándose entre sí
merced a la presión ejercida por el montaje de la pared 7, gracias
a la presión ejercida por la cuña 87, montada según se ha
explicado.
Adicionalmente a la cubierta transparente 2 se
puede colocar una segunda cubierta transparente, 65, paralela a la
2, de material similar o exactamente el mismo, con un estrecho
huelgo en medio, 64, de espesor menor que el propio espesor de las
cubiertas (figura 20), conectado con el aire exterior mediante unos
orificios 67 practicados en la parte baja de la pared frontal 4, en
la cual se encastra la segunda cubierta 65 en una
junta-cerco 66, similar a la
junta-cerco 3, estando las bocas de los orificios
67 cubiertas por unos filtros 68 y 69 tipo tela de mosquitero, con
tamiz de paso menor de un milímetro.
En el interior del cajón 100 se pueden disponer
unas lengüetas o aletas soldadas o fijadas oblicuamente a sus
paredes interiores, delantera y trasera, con el cordón de soldadura
en sentido horizontal, como las lengüetas, de tal manera que éstas
formen un ángulo agudo mirando hacia abajo con la pared delantera,
tanto en la parte superior del cajón 100, conformando las lengüetas
58, como por debajo de la abertura de la cubierta transparente,
conformando las lengüetas 60; y formando las lengüetas 59 un ángulo
agudo mirando hacia arriba en su entroncamiento con la pared trasera
interna del cajón 100; y siendo el material de las lengüetas el
mismo que la capa interior de las paredes del cajón, incluyendo una
parte interior de aislante térmico, y con el mismo tipo de
recubrimiento altamente reflectivo, y dando a las lengüetas tal
longitud que, en su dilatación a temperatura de funcionamiento
nominal del colector, su extremo libre queda a una distancia de la
superficie trasera de los conductos colectores 11 ó 28 que esté
entre medio milímetro y un milímetro.
Cada colector en su conjunto, 72, con su cajón
100 y el circuito interno del fluido calorífero, se puede ubicar en
una estructura 74 en altura, tipo torre de estructura metálica o de
hormigón armado (figura 21), conectados unos colectores a otros en
serie o en paralelo, según convenga a la aplicación, colgando los
colectores por la parte superior del cajón 100, desde unas piezas
80 de la estructura 74, que se pueden soldar o atornillar a las
orejetas 81 (figura 22) unidas solidariamente a la pared superior
del cajón 100, o a las pletinas en diedro que refuerzan sus aristas,
94, pudiendo quedar los colectores con cierta inclinación hacia
abajo por la cara frontal, de modo que se reciba mejor la radiación
reflejada desde un campo de helióstatos 70 situados en tierra, y
disponiéndose el circuito completo del fluido calorífero desde el
lugar donde se aprovecha el fin útil de la instalación, desde el
cual llega a la estructura de colectores por la tubería 76,
volviendo al fin útil con mucha mayor temperatura por la tubería
78, superando la pérdida de altura manométrica por el rozamiento del
fluido y por la ascensión por la torre estructural mediante una
bomba 77, y teniendo el circuito los tanques 79 útiles para mezclar
flujos paralelos de fluido, entre escalonamientos sucesivos de
colectores.
Una vez descrita de forma clara la invención, se
hace constar que las realizaciones particulares anteriormente
descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que
no alteren el principio fundamental y la esencia de la
invención.
Claims (22)
1. Colector de energía solar térmica que
comprende
- una pluralidad de conductos colectores,
absorbedores de energía solar de radiación solar (1) incidente en
dichos conductos colectores, por dentro de los cuales circula un
fluido calorífero que recoge la energía solar absorbida por los
conductos colectores, estando dispuestos dichos conductos
colectores en vertical, y comprendiendo el conjunto de los
conductos colectores un extremo de entrada y un extremo de salida
del fluido calorífero,
- medios de entrega del fluido calorífero a los
conductos colectores, conectados a los extremos de entrada de
dichos conductos colectores, y
- medios de recogida del fluido calorífero de
los conductos colectores, conectados a los extremos de salida de
dichos conductos colectores,
estando dicho colector de energía solar térmica
caracterizado porque los conductos colectores, al menos
parte de los medios de entrega del fluido calorífero a los
conductos colectores y al menos parte de los medios de recogida del
fluido calorífero de los conductos colectores están ubicados en el
interior de un cajón hermético (100), cuya estructura comprende
- una placa interior (61) metálica resistente,
recubierta, en la cara que da al interior del cajón, por una capa
(8) pintada o adherida, de alto índice de reflectividad
- una placa exterior (63) metálica resistente, y
entre las capas interior (61) y exterior (63)
- un volumen intermedio (62) relleno de material
aislante térmico,
comprendiendo el cajón hermético (100), además
de las paredes laterales,
- una pared superior (5),
- una pared inferior (6),
- una pared trasera (7) en la cual quedan
encastrados al menos parte de los medios de entrega del flujo
calorífero y al menos parte de los medios de recogida del flujo
calorífero en alojamientos herméticos recubiertos por juntas de
materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben
deformaciones de dichos medios de entrega y medios de recogida del
flujo calorífero del 0,1%, y
- una pared frontal (4) con una abertura
superficial para el paso de la radiación solar (1) a los conductos
colectores, y dicha abertura superficial cerrada por una cubierta
transparente (2) encastrada en la pared frontal (4) por
intermediación de una junta de cierre a presión (3).
2. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación 1, caracterizado porque
- los conductos colectores son una pluralidad de
canales verticales (29) de sección recta rectangular que forman un
panel (28) continuo de canales (29) con una superficie frontal
plana,
- y porque los medios de entrega del fluido
calorífero se conectan a los extremos de entrada de los canales
(29), y los medios de recogida del fluido calorífero se conectan a
los extremos de salida de los canales (29).
3. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación 1, caracterizado porque
- los conductos colectores son una pluralidad de
tubos colectores (11) que forman un haz (25) vertical
- y porque los medios de entrega del fluido
calorífero se conectan a los extremos de entrada de los tubos
colectores (11), y los medios de recogida del fluido calorífero se
conectan a los extremos de salida de los tubos colectores (11).
4. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- los medios de entrega del fluido calorífero a
los conductos colectores comprenden
- -
- una pluralidad de primeros tubos de conexión (17) que comprenden un codo a 90º, y que están conectados por uno de sus extremos a los extremos de entrada de los conductos colectores, y por su otro extremo a
- -
- al menos un tanque de entrada (15) cilíndrico horizontal, con remates semiesféricos en sus dos extremos longitudinales, encastrado en la pared trasera (7) en un alojamiento hermético recubierto por una primera junta (16) aislante térmica y elástica que lo recubre en todo su volumen, y que absorbe deformaciones del tanque de entrada (15) del 0,1%, estando conectado dicho tanque de entrada (15) en una zona diametralmente opuesta a la de los primeros tubos de conexión (17) a
- -
- una pluralidad de tubos de entrada (13) del fluido calorífero al colector
- y porque los medios de recogida del fluido
calorífero de los conductos colectores comprenden
- -
- una pluralidad de segundos tubos de conexión (18) que comprenden un codo a 90º, y que están conectados por uno de sus extremos a los extremos de salida de los conductos colectores, y por su otro extremo a
- -
- al menos un tanque de salida (19) cilíndrico horizontal, con remates semiesféricos en sus dos extremos longitudinales, encastrado en la pared trasera (7) en un alojamiento hermético recubierto por una segunda junta (20) aislante térmica y elástica que lo recubre en todo su volumen, y que absorbe deformaciones del tanque de salida (19) del 0,1%, estando conectado dicho tanque de salida (19) en una zona diametralmente opuesta a la de los segundos tubos de conexión (18) a
- -
- una pluralidad de tubos de salida (21) del fluido calorífero del colector.
5. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- el cajón hermético (100) comprende en su pared
inferior (6) un canal de succión (9) para la conexión de un
compresor succionador para la realización del vacío en el interior
de dicho cajón hermético (100),
- y porque en dicho canal de succión (9) hay
dispuesta una válvula de cierre (10).
6. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado
porque adicionalmente comprende un tanque de homogeneización de
temperatura (26) interpuesto entre los conductos colectores, a media
altura de éstos, el cual divide a dichos conductos colectores en
dos tramos longitudinales según altura.
7. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado
porque
- comprende una pantalla metálica (27) de
absorción de radiación, de alta conductividad, fijada a la parte
frontal del haz (25) de tubos colectores (11),
- y porque dicha pantalla metálica (27) de
absorción de radiación está recubierta con una capa de alta
absortividad y baja emisividad a la radiación, seleccionada entre
pintura y adhesivo.
8. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la superficie exterior de las paredes (4, 5, 6, 7) del cajón
hermético (100) está recubierta con un recubrimiento (8) de alta
reflectividad a la radiación, seleccionado entre pintura y
adhesivo.
9. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la superficie interior de las paredes (4, 5, 6, 7) del cajón
hermético (100) está recubierta con un recubrimiento (8) de alta
reflectividad a la radiación, seleccionado entre pintura y
adhesivo.
10. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado
porque
- el haz (25) de tubos colectores (11) se divide
en una pluralidad de sub-haces (25'),
- porque comprende una pieza de apoyo (30)
dispuesta entre dos sub-haces (25') consecutivos
paralelamente a dichos sub-haces (25'), apoyando
dichas piezas de apoyo (30) por su borde trasero en la pared
trasera (7) del cajón hermético, y apoyando la cubierta
transparente (2) en el borde frontal de las piezas de apoyo
(30),
- y porque los medios de entrega de fluido
calorífero a los tubos colectores (11) comprenden un tanque de
entrada (15) por cada uno de los sub-haces (25'), y
los medios de recogida de fluido calorífero de los tubos colectores
(11) comprenden un tanque de salida (19) por cada uno de los
sub-haces (25').
11. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación anterior, caracterizado porque las piezas de
apoyo (30) son transparentes y están realizadas en el mismo
material que la cubierta transparente (2).
12. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación 10, caracterizado porque las piezas de apoyo
(30) están realizadas con el mismo material que la placa interior
(61) de la estructura del cajón hermético (100), y con el mismo
recubrimiento (8) de alto índice de reflectividad.
13. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- los tubos de salida (21) comprenden un codo de
salida (31) a 90º para la disposición de dichos tubos de salida
(21) verticalmente,
- -
- y porque los medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores adicionalmente comprenden un tanque de mezcla y homogeneización de temperaturas y presión (32) conectado al extremo final de los tubos de salida (21)
- -
- y porque los medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores, y los medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores, están aislados térmicamente.
14. Colector de energía solar térmica, según las
reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque
- los medios de entrega del fluido calorífero al
haz (25) de tubos colectores (11) comprenden
- -
- un cabezal distribuidor (41), al que llega el fluido calorífero a través de
- -
- un conducto de aportación (42) que atraviesa la pared trasera (7) del cajón hermético (100) a través de una fogonadura realizada en dicha pared trasera (7) en la que se dispone una cuarta junta (43) esférica.
- porque los medios de recogida del fluido
calorífero del haz (25) de tubos colectores (11) comprenden un
embudo recolector (33) conectado
- -
- por su extremo mayor al extremo de salida de los tubos colectores (11)
- -
- y por su extremo menor a un conducto de salida (34) que atraviesa la pared trasera (7) del cajón hermético (100) a través de una fogonadura realizada en dicha pared trasera (7) en la que se dispone una tercera junta (35) esférica.
15. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación 14, caracterizado porque los tubos colectores
(11) están inclinados con respecto a la vertical un ángulo de
substancialmente 10º.
16. Colector de energía solar térmica, según la
reivindicación 14, caracterizado porque
- el haz (25) de tubos colectores (11) se divide
en una pluralidad de sub-haces (25'),
- porque comprende una pieza de apoyo (30)
dispuesta entre dos sub-haces (25') consecutivos
paralelamente a dichos sub-haces (25'), apoyando
dichas piezas de apoyo (30) por su borde trasero en la pared
trasera del cajón hermético (7), y apoyando la cubierta
transparente (2) en el borde frontal de las piezas de apoyo
(30),
- porque los medios de entrega de fluido
calorífero a los tubos colectores (11) comprenden por cada uno de
los sub-haces (25')
- -
- un cabezal distribuidor (41), al que llega el fluido calorífero a través de
- -
- un conducto de aportación (42) que atraviesa la pared trasera (7) del cajón hermético (100) a través de una fogonadura realizada en dicha pared trasera (7) en la que se dispone una cuarta junta (43) esférica,
- y porque los medios de recogida del fluido
calorífero de los tubos colectores (11) comprenden por cada uno de
los sub-haces (25') un embudo recolector (33)
conectado
- -
- por su extremo mayor al extremo de salida de los tubos colectores (11)
- -
- y por su extremo menor a un conducto de salida (34) que atraviesa la pared trasera (7) del cajón hermético (100) a través de una fogonadura realizada en dicha pared trasera (7) en la que se dispone una tercera junta (35) esférica.
17. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, y 16,
caracterizado porque
- la cubierta transparente (2) que cierra la
abertura superficial de la pared frontal (4) comprende una
pluralidad de bovedillas transparentes (46) dispuestas cada una de
ellas cubriendo cada uno de los sub-haces (25') de
los tubos colectores (11), de tal manera que las cubiertas de
vidrio de cada sub-haz sean las bovedillas
longitudinales de vidrio, a lo largo del sentido vertical del
colector, estando encastradas en las paredes del cajón, tanto
frontal como trasera, rematando en sus extremos de arriba y abajo
por los encastres en las paredes superior e inferior; pudiendo
usarse esta morfología de cubierta transparente en bovedillas tanto
en el caso de emplear tanques de fluido encastrados en la pared
posterior, (15) y (19), como conductos, (42) y (34), embebidos en
juntas esféricas en dicha pared.
18. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque
- el interior del cajón hermético (100) se
rellena con un gas inerte seleccionado entre nitrógeno y anhídrido
carbónico,
- y porque la presión del interior del cajón
hermético (100) se mantiene substancialmente igual a la presión
atmosférica mediante un circuito de regulación de presión que
comprende
- -
- un tubo de extracción de gas (49) que tiene
- -
- una primera válvula de cierre (50)
- -
- y una primera válvula de regulación de paso (51) del gas activada mecánica o electromecánicamente por la diferencia de presiones existente entre el interior del cajón hermético (100) y la atmosférica,
- -
- un primer depósito de gas (52) que almacena el gas inerte extraído del cajón hermético (100) cuando es necesario para la regulación de la presión, y que está a presión menor que la atmosférica, estando conectado a
- -
- un compresor (53) que toma el gas del primer depósito de gas (52) y lo inyecta en
- -
- un segundo depósito de gas (54) que está a presión mayor que la atmosférica, y que inyecta gas inerte en el cajón hermético (100) cuando es necesario para la regulación de la presión, a través de
- -
- un tubo de descarga de gas (55) en el cajón hermético (100), que tiene
- -
- una segunda válvula de regulación de paso (56) del gas activada mecánica o electromecánicamente por la diferencia de presiones existente entre el interior del cajón hermético (100) y la atmosférica, y
- -
- una segunda válvula de cierre (57)
estando el primer depósito de gas (52) reforzado
para soportar diferencias de presión igual a la presión
atmosférica, y el segundo depósito de gas (54) reforzado para
soportar presiones al menos cinco veces la presión atmosférica.
19. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 14 y 16, caracterizado
porque
- la tercera junta (35) y la cuarta junta (43)
esféricas dispuestas en la pared trasera (7) del cajón hermético
(100) se materializan a partir de una esfera realizada en
materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben deformaciones
del 0,1% en el conducto de salida (34) y en el conducto de
aportación (42),
- realizándose en dicha esfera un taladro
cilíndrico
- -
- cuyo eje coincide con un diámetro de la esfera,
- -
- y cuyo radio es igual al radio exterior del conducto (34, 42).
20. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones 14 y 16, caracterizado
porque
- la tercera junta (35) y la cuarta junta (43)
esféricas dispuestas en la pared trasera (7) del cajón hermético
(100) se materializan a partir de
- -
- una primera parte semiesférica (47)
- -
- y una segunda parte semiesférica (48) complementaria a la primera parte semiesférica (47) realizadas en materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben deformaciones del 0,1% en el conducto de salida (34) y en el conducto de aportación (42),
- que se montan alrededor de los conductos (34,
43) y quedan fijadas por la presión ejercida por la pared trasera
(7) del cajón hermético (100).
21. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- comprende una cubierta transparente adicional
(65) fijada en paralelo a la cubierta transparente (2), encastrada
en la pared frontal (4) del cajón hermético (100) mediante una
junta de cierre a presión adicional (66) existiendo entre ambas
- un huelgo intermedio (64) de menor espesor que
las cubiertas transparentes (2, 65) conectado con el exterior por
medio de
- una pluralidad de orificios (67) realizados en
la parte inferior de la pared frontal (4) del cajón hermético
(100), que comprenden un primer filtro (68) en uno de los extremos
de cada uno de los orificios (67) y un segundo filtro (69) en el
otro extremo, presentando ambos filtros (68, 69) un tamiz de paso
menor de un milímetro.
22. Colector de energía solar térmica, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque comprende
- una pluralidad de primeras aletas (58)
soldadas oblicuamente en el interior de la pared frontal (4) del
cajón hermético (100), situadas por encima de la cubierta
transparente (2), formando un ángulo agudo con dicha pared frontal
(4) y orientadas hacia la pared inferior (6) de dicho cajón
hermético (100),
- una pluralidad de segundas aletas (60)
soldadas oblicuamente en el interior de la pared frontal (4) del
cajón hermético (100), situadas por debajo de la cubierta
transparente (2), formando un ángulo agudo con dicha pared frontal
(4) y orientadas hacia la pared inferior (6) de dicho cajón
hermético (100),
- y una pluralidad de terceras aletas (59)
soldadas oblicuamente a lo largo del interior de la pared trasera
(7) del cajón hermético (100), formando un ángulo agudo con dicha
pared trasera (7) y orientadas hacia la pared superior (6) de dicho
cajón hermético (100),
estando las aletas (58, 59, 60) hechas de
material aislante y recubiertas con un recubrimiento de alta
reflectividad a la radiación, seleccionado entre pintura y
adhesivo,
y teniendo dichas terceras aletas (59) una
longitud tal que en su dilatación a temperatura de funcionamiento
nominal del colector, su extremo libre queda a una distancia de la
superficie trasera de los conductos colectores que esté entre medio
milímetro y un milímetro.
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