ES2345427B2 - Dispositivo de concentracion de la radiacion solar, con espejos y receptor longitudinales. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales.

Dispositivo de concentración de la radiación solar (4), con espejos (7) y receptor (1) longitudinales, siendo los espejos de sección recta circular, con radio de curvatura que es el doble de la distancia transversal desde el centro (35) de cada espejo al punto central (3) del receptor, cuya anchura es 1% de la distancia transversal desde dicho punto central al centro (89) del espejo más alejado (32).

La anchura de cada espejo se determina según la deriva de los rayos reflejados al enfocar el espejo al sol, prescribiendo una anchura igual para todos, e igual ala anchura de la cara activa (2) del receptor en los montajes según el meridiano, y el triple de esa anchura en los montajes según el paralelo; instalándose los espejos de modo contiguo; y el receptor en alto sobre unos báculos (8).

Description

Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales cuyos ejes más largos son horizontales o levemente inclinados, y orientables en sentido transversal por girar alrededor de su eje de simetría longitudinal; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor asimismo longitudinal, con su eje largo horizontal o levemente inclinado, y con cierta inclinación en sentido transversal, y paralelo a los ejes de los espejos. Dicho receptor puede tener estructuraciones muy diversas y estar compuesto de materiales muy diferentes, pues puede dedicarse a usos térmicos de alta temperatura, a conversión fotovoltaica, a procesos fotoquímicos o termoquímicos, o a cualquier fenómeno que necesite radiación electromagnética de tipo visible o infrarrojo cercano. En todo caso, el receptor tendrá una superficie o cara activa, que es lo verdaderamente relevante a efectos de esta invención, y es la zona en la que incide y se absorbe la radiación concentrada. Esta zona puede ser la superficie de un conjunto de fotodiodos para llevar a cabo la generación directa de electricidad por efecto fotovoltaico; o una superficie absorbente de la radiación, conectada físicamente con un conjunto de tubos paralelos, cuyos ejes son paralelos a su vez a los espejos longitudinales y por cuyo interior circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, como puede ser un ciclo termodinámico de producción de potencia.

Antecedentes de la invención

Como antecedentes de campos de espejos orientables hay muchos, pero particularizando al caso longitudinal horizontal plano cabe citar la solicitud internacional WO 99/42765, en la cual el receptor es un tubo longitudinal similar al usado en los colectores de tipo cilindro-parabólico, como el descrito en la patente US 4,243,019, y varias otras. Otros antecedentes que cabe reseñar son los siguientes: WO 2009/029277 A2, sobre una configuración Fresnel de reflexión convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones numéricas de montaje, y con reivindicaciones muy genéricas; usando espejos planos en sus figuras 3 y 4, y cóncavos, sin especificar más, en la 12, tratando también la configuración de circuitos hidráulicos en el receptor multitubo, sin tener en cuenta la apertura natural de la luz solar; WO 2009/023063 A2, sobre un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación; WO 2006/000834 A1, que propone espejos con múltiples facetas planas, y trata además sobre mecanismos para enfocar convenientemente los espejos planos sobre el receptor; WO 02/12799 A2, sobre un concentrador biparabólico alrededor del tubo receptor, que menciona, sin especificaciones geométricas, "flat rotating mirrors" en el campo de espejos, en sus reivindicaciones 9 y 10; WO 02/02995 A2, sobre un sistema Fresnel de reflexión básico con una modalidad novedosa para soportar el tubo; EP 2 161 516 A1, sobre un sistema Fresnel de reflexión clásico, en el que se prevé una propagación del haz con la concentración propia de los espejos con concavidad, aunque no reivindica ninguna prescripción sobre la forma de éstos; BE 1 013 565 A3, sobre un Fresnel de reflexión absolutamente básico, estando citada como antecedente en algunas de las patentes mencionadas más arriba, y que utiliza espejos con múltiples facetas planas; BE 1 013 566 A3, también sobre un Fresnel de reflexión, en este caso con espejos cóncavos para concentrar la radiación sobre el tubo receptor, aunque sin especificar ecuaciones de definición de los perfiles de los espejos ni presentar figuras ilustrativas sobre el problema de la concentración de la radiación solar, por su apertura natural.

Problema técnico a resolver

Acerca de todos estos antecedentes cabe decir que ignoran el hecho físico fundamental de que la radiación solar no está perfectamente colimada, sino que procede del disco solar, que tiene una apertura óptica desde la Tierra que vale 32' (32 minutos sexagesimales), siendo su intensidad prácticamente uniforme en todo el disco, como corresponde a radiación emitida de forma perfectamente difusa desde una superficie esférica. Esta apertura significa que la radiación incidente en un punto de la superficie terrestre no está compuesta simplemente de un rayo procedente del sol, sino que es un cono de rayos cuyo ángulo cónico vale precisamente los 32' antes mencionados. Por ende, y en función del principio de reflexión de la luz, desde el punto en cuestión no emerge un solo rayo, sino un conjunto de rayos, o haz, de apertura exactamente igual a la del haz incidente, es decir, 32'. Esta apertura equivale a 0,0093 radianes (ó 1/107,5 radianes) lo que significa que, cuando el haz recorre distancias cada vez largas, la superficie de su sección recta transversal deviene cada vez más grande, lo que produce una baja intensidad en el receptor absorbedor de la radiación solar.

Ese bajo valor de la radiación recibida impide que el fluido calorífero, que circula por los tubos del absorbedor, alcance altas temperaturas. O en el caso fotovoltaico, impide que llegue la radiación necesaria a células de alto rendimiento, que sólo se pueden fabricar en pequeñas cantidades por ser muy caras, pero que proporcionan buenas prestaciones cuando se iluminan con una intensidad decenas de veces mayor que la natural.

Con los sistemas actuales de concentración denominados Fresnel de reflexión o longitudinales, que son de construcción mucho más barata que los otros sistemas de concentración, resulta imposible conseguir altos valores de concentración de la radiación. Por tanto, el problema a resolver es alcanzar dichos valores de concentración suficientemente altos en un dispositivo de esta geometría básica, dimensionando sus elementos constitutivos de manera novedosa, teniendo en cuenta la apertura natural de la luz solar y la deriva, o desplazamiento de la trayectoria, de los rayos reflejados por un espejo, cuando éste se gira para enfocarse al sol en cualquier posición no coincidente con la de referencia, que es la empleada para definir su geometría.

Otras consideraciones previas

En la solicitud aquí presentada, la invención parte de un conjunto de espejos ligeramente cóncavos en sentido transversal, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura. Los espejos no tienen más que un grado de libertad de giro, y concretamente coincide su eje de giro con su eje de simetría longitudinal, que a su vez es el eje que toma apoyo en unos cojinetes cilíndricos estándar, que se asientan sobre los pilares que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, aunque puede girar sobre su eje imaginario central. Para ello, en un extremo del eje físico va solidariamente unida una rueda dentada, un tornillo sinfín o una polea rotatoria, que por medio de un motor eléctrico o un empujador hidráulico, bien actuando a través de un engranaje directo, bien a través de cadena o correa de transmisión, obliga a que el espejo gire sobre su eje central longitudinal, tomando éste la inclinación que corresponde para que sus rayos reflejados se enfoquen sobre la superficie activa del receptor longitudinal. La invención incluye aspectos específicos novedosos sobre el perfil de sección recta de cada espejo, según su posición relativa al receptor.

Las tablas astronómicas solares permiten conocer en cada momento la situación del sol, por lo cual cabe determinar con total precisión, dentro de las tolerancias naturales solares, cuál debe ser la inclinación de cada espejo para que sus rayos reflejados incidan sobre el receptor, cuyo eje longitudinal es paralelo al conjunto de ejes de los espejos.

La precisión de la inclinación dada por el giro de cada espejo se puede garantizar por medio de colimadores solares, y las incertidumbres antes aludidas, que también afectan a los colimadores, hacen referencia al hecho de que el sol es visto desde la superficie terrestre como un disco de intensidad de radiación uniforme (pues su radiación superficial emerge de manera prácticamente difusa) de anchura diametral aparente de 32 minutos sexagesimales, según se ha dicho ya.

Con el antecedente mencionado de espejos planos o ligeramente curvados, dispuestos paralelamente, se presenta una nueva invención que configura un conjunto geométrico acoplado espejos-receptor, que obedece a especificaciones muy determinadas en el tamaño y localización de los espejos respecto del tamaño y localización del receptor. El conjunto de prescripciones determina una configuración única de dispositivo solar de alta concentración.

Este conjunto geométrico de concentración de la radiación solar, por razones astronómicas obvias, presenta dos montajes básicos distintos: uno según el meridiano, en el cual los ejes longitudinales de los espejos y del receptor van en dirección Norte-Sur; y otro según el paralelo local, en el cual los ejes longitudinales de los espejos y del receptor van en dirección Este-Oeste; siendo además posibles otros montajes, yendo los ejes longitudinales en cualquier dirección en el plano horizontal local.

A efectos de explicar convenientemente la invención, es procedente una breve exposición sobre la reflexión de la radiación. En primer lugar, cuando se produce ésta, se forma un ángulo entre el rayo incidente y el rayo reflejado, de tal manera que la bisectriz de dicho ángulo coincide con la recta normal al plano tangente a la superficie reflectora en el punto de incidencia. Como esta superficie, para cada uno de los espejos utilizados en la invención, tiene la misma sección recta a lo largo de todo el espejo, lo que se ha de determinar son las características que ha de tener esa sección recta para cada espejo. A este respecto hay que recordar que la radiación solar tiene un carácter tridimensional, y sin embargo la definición de una sección recta es sólo bidimensional. Para ello se proyecta la radiación solar en lo que denominamos plano óptico o plano de trabajo; que es un plano perpendicular a los ejes longitudinales, y que por tanto corta transversal y perpendicularmente al receptor y a los espejos. Dicho corte puede fijarse en cualquier punto de la longitud de los ejes. En cualquiera de los montajes, la disposición puede ser tan larga como se quiera, pero transversalmente ha de cumplir las especificaciones que se establecen en la invención.

Otro antecedente importante es el de la concentración de la radiación por espejos cóncavos, de lo cual hay dos casos principales desde los tiempos de Arquímedes: el parabólico y el circular. En el parabólico, todos los rayos que se propagan en paralelo al eje de simetría de la parábola, van a converger en el foco de ésta tras la reflexión en la parábola. Las parábolas se expresan usualmente en un sistema de coordenadas que tiene por origen su ápice, y como eje de ordenadas, el de simetría. El de abscisas es el normal al de ordenadas, en dicho origen. La ecuación general es

y = a\cdotx^{2}

donde el parámetro "a", de proporcionalidad entre el cuadrado de las abscisas y la ordenada, tiene un valor que es exactamente igual a la cuarta parte del inverso de la distancia focal, siendo ésta la distancia desde el ápice al foco. Así pues, si a un espejo de los empleados en esta invención se le da un perfil parabólico de tal manera que su distancia focal es igual a la que hay entre el punto medio del espejo y el punto medio del receptor, todos los rayos que vayan paralelos al eje de simetría, convergen en el punto medio del receptor. No es ese el caso de los rayos no paralelos al eje de simetría, lo cual es una de las causas principales de pérdida de prestaciones en los montajes Fresnel de reflexión, y lo que motiva esta invención, que tiene por finalidad subsanar esa debilidad en tanto que dispositivo solar.

Por otro lado cabe hablar de concentración circular, en la cual la sección recta del espejo es un arco de circunferencia. Propiamente hablando, la concentración sólo es eficaz cuando el arco es pequeño, midiendo dicha pequeñez porque sean prácticamente iguales el arco circular, expresado en radianes, y el seno de dicho arco. Esta propiedad se extiende mucho más allá de lo que es necesario en los espejos tipo Fresnel de reflexión, pues para 10º sexagesimales el valor del arco es de 0,1745 y el seno de dicho ángulo es 0,1736; muy parecidos. Por debajo de 3º sexagesimales, los valores son idénticos en 4 cifras decimales. Se verá en la explicación de la invención y en los modos de realización especificados que dicho arco no excede de 3º, por lo que se cumple de sobra el criterio de concentración circular de la radiación, que dice así: "Sea un arco circular con un diámetro definido sobre el punto medio del arco, el cual diámetro hace de eje de simetría. Todos los rayos incidentes paralelos a ese eje de simetría que sean reflejados por dicho arco, en su cara cóncava, son dirigidos hacia las cercanías de un mismo punto, o foco de concentración, que está en el eje de simetría, justo en la mitad del radio que va desde el centro del círculo, o centro de curvatura, al punto medio del sector circular que hace de espejo; dejando de cumplirse esta propiedad cuando los rayos paralelos se alejan mucho del eje de simetría, pues entonces no se cumple el requisito de igualdad numérica entre el arco y su seno".

Se aprecia que existe una similitud grande entre una reflexión y otra, parabólica y circular, siempre que ésta quede limitada al dominio antedicho. De hecho, una parábola con distancia focal igual a la mitad del radio de curvatura de un arco circular, producirá una reflexión prácticamente igual a éste. Aunque la reflexión parabólica sea exacta, y la circular no, se puede usar el arco circular para definir el perfil de la sección recta del espejo, dentro del margen acotado de validez, que es el escogido para esta invención, por resultar muy fácil y muy práctico trabajar con radios de curvatura y sectores circulares.

El problema fundamental radica en que sólo para una posición solar, dadas las ubicaciones fijas del receptor y del centro del espejo, se puede aprovechar la propiedad antedicha de la concentración de la radiación sobre un foco. Para el resto de las posiciones solares en su trayectoria diaria, que son mayoría, esa propiedad no se da. La invención precisamente atiende a esta realidad, y proporciona una configuración de dispositivo de este tipo que consigue altas concentraciones sobre el receptor, a partir de un campo de espejos longitudinales como los clásicos de los montajes Fresnel de reflexión, pero con especificaciones singulares novedosas.

Explicación de la invención

La invención consiste en configurar el dispositivo solar de alta concentración con los siguientes elementos, conectados ópticamente entre sí, por las trayectorias de la radiación solar:

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un receptor de radiación solar, de forma longitudinal, soportado en alto por pilares o pórticos estructurales, en general arriostrados transversalmente, con una altura sobre el terreno acorde con la reflexión de la radiación reflejada por los espejos, y que consta de una superficie o cara activa que es donde incide la radiación concentrada, teniendo transversalmente dicha cara activa cierta inclinación sobre el terreno, y estando constituido además el receptor por unos elementos que dependerán del fin último de la central en cuestión, que puede ser la generación fotovoltaica, la activación de procesos fotoquímicos, o el calentamiento de un fluido térmico para alcanzar altas temperaturas;

-

un conjunto de espejos longitudinales, siendo el eje longitudinal de simetría de cada espejo paralelo al eje longitudinal del receptor, estando la superficie especular asentada en una estructura compuesta por un eje rígido longitudinal que coincide con el eje de simetría longitudinal de la superficie especular, y sirve como apoyo fundamental de ésta, contando además con pequeños travesaños rígidos solidarios a dicho eje material, que es rotativo, por lo cual gira la superficie especular, materializándose el giro por la acción de cualquier mecanismo de engranaje o correa de transmisión que se ubica en un extremo del eje o en una posición intermedia de su longitud, que puede estar activado bien por motor eléctrico bien por pistón hidrodinámico; y estando el eje material soportado en el interior de cojinetes cilíndricos cuya parte exterior está fija y es solidaría a los pilares o pies derechos de soporte del espejo y su estructura, que están enclavados en las correspondientes cimentaciones en el terreno, existiendo el conjunto cojinete-pilar cada cierto trecho, coincidiendo esa disposición con una pequeña interrupción de la superficie especular, si se opta porque ésta rote así toda la circunferencia, lo cual es innecesario para el enfoque de la radiación, pero puede ser de interés por motivos de limpieza y de disminuir la carga dinámica del viento contra el espejo; o manteniéndose la superficie especular continua, por encima de la estructura soporte, si no se opta por la rotación de circunferencia completa;

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siendo los espejos de superficie cóncava hacia su lado reflectante, materializándose dicha concavidad, para cada espejo, con un perfil de sector circular con radio de curvatura específicamente establecido para cada espejo, siendo dicho radio de curvatura de un espejo, en la especificación básica o de referencia, el doble de la distancia que hay desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor;

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y pudiendo los espejos estar compuestos de dos partes diferenciadas, a cada lado de la línea central, siendo ambas partes de concavidad circular, pero con diferentes radios de curvatura, en los montajes más precisos, que tienen en cuenta las derivas producidas en la reflexiones de los rayos, cuando los espejos se apartan de la posición de referencia, seleccionados los radios de curvatura en un margen de valores entre el doble de la distancia que hay desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, y ese valor incrementado en un 20%.

En una central solar puede haber una pluralidad de estos conjuntos receptor-espejos, que serán paralelos entre sí; pudiendo tener longitudes iguales, o distintas, según la ortografía del terreno; y en el caso térmico pueden estar conectados hidráulicamente estos conjuntos entre sí, a través del circuito del fluido calorífero, bien en serie, bien en paralelo, en función del diseño termo-hidráulico que se quiera seguir en cada central, aunque el montaje de referencia es la conexión hidráulica en paralelo, tomando el fluido de la tubería que llega desde el bloque de potencia, con el fluido relativamente frío, y enviando el fluido, una vez calentado, a la tubería de retorno a dicho bloque.

La invención contiene un conjunto completo de prescripciones para determinar unívocamente las características geométricas de los elementos del dispositivo, en función del las relaciones ópticas establecidas entre ellos, y específicamente se refieren a la altura a la que se ubica el receptor, a la anchura de la cara activa de éste y a su inclinación; así como a la posición de los sucesivos espejos a lo ancho del campo solar, la anchura de éstos y su radio de curvatura transversal; más la prescripción de enfoque al sol de cada espejo en cada momento.

La invención puede materializarse preferentemente en dos configuraciones geográficas: según el meridiano local, o Norte-Sur, y según el paralelo local, o Este-Oeste.

Para la explicación y aplicación de la invención, se usa un plano óptico o de trabajo, que es un plano perpendicular a los ejes longitudinales, y que por tanto corta transversal y perpendicularmente al receptor y a los espejos. Dicho corte puede fijarse en cualquier punto de la longitud de los ejes.

El correspondiente plano de trabajo se usa para especificar en él la inclinación transversal del espejo, cuyo eje de simetría longitudinal cortará al citado plano en un punto, que se designa como centro del segmento que representa, en el diseño, al espejo en cuestión. Desde ese punto queda definida la trayectoria al punto central de la superficie activa del receptor, que es el punto central o medio del segmento formado por el corte de dicha superficie activa con el plano de trabajo.

En este plano de trabajo se definen ángulos que forman algunas rectas (generalmente asociadas a rayos y visuales de un punto a otro) con el eje de abscisas, y estos ángulos se miden según el patrón habitual de trigonometría plana, girando en sentido antihorario o levógiro desde el eje positivo de abscisas. Esto vale cuando se emplea el sistema de coordenadas general de un campo de espejos, que tiene como eje de ordenadas la recta vertical que pasa por el punto central de la superficie activa del receptor de ese campo, y como eje de abscisas el perpendicular al anterior que pasa por el punto central del espejo más próximo al receptor. También se aplica este criterio trigonométrico cuando se trata del sistema de coordenadas local, asociado a cada espejo, siendo en ese caso el eje de ordenadas la recta normal al espejo en su punto central, y su eje de abscisas la perpendicular al eje anterior en el centro del espejo, que es el origen de coordenadas. Y para cada espejo hay una situación de referencia, en la cual su eje de ordenadas, o normal en el punto central, coincide con la recta que va desde este punto al centro de la cara activa del receptor.

El funcionamiento de la invención incorpora un método de determinación del ángulo de giro o inclinación que ha de tener cada espejo en cada momento respecto del sistema de coordenadas general del campo, consistente en que el rayo central del haz solar que incide sobre el punto central del espejo en cuestión, que es el punto central de su sección recta, tal como se ve en el plano óptico o de trabajo, se refleja sobre el punto central de la cara o superficie activa del receptor correspondiente, lo cual comporta que la normal al espejo en su punto central coincide con la bisectriz del ángulo que forman, en el plano óptico, la proyección sobre este plano del citado rayo incidente y la recta que une el punto central de ese espejo con el punto central del receptor, denominándose recta de referencia del espejo a esta última recta.

Para ello se define el ángulo de situación de esta recta, que une el punto central del espejo en cuestión con el punto central del receptor, como el ángulo que forma esta recta respecto del eje positivo de abscisas del sistema general de coordenadas, que es paralelo a la horizontal del lugar. Todas las rectas tienen su correspondiente ángulo de situación, en el sistema general de coordenadas del dispositivo, respecto del eje de abscisas, contado siempre en sentido levógiro, desde el semieje positivo de abscisas. En particular, los rayos centrales de los haces de la radiación solar tienen un ángulo de incidencia sobre la horizontal que vendrá dado por los datos astronómicos para cada momento, aunque dicho ángulo de incidencia ha de estar definido en el plano de trabajo, y por tanto corresponde a la proyección de la radiación solar sobre este plano. La prescripción de inclinación de cada espejo es que la normal al espejo en su punto central tiene un ángulo de situación que es la semisuma del ángulo de situación de la recta de referencia del espejo y el ángulo de incidencia de la radiación solar, todo ello en su expresión o en su proyección en el plano de trabajo.

En el montaje según el meridiano, al ser la disposición simétrica respecto del receptor doble, los centros de los espejos, que son sus centros de giro en el plano de trabajo, se sitúan preferentemente en una línea horizontal, es decir, están todos los espejos a la misma altura, pues unas horas recibirán la radiación solar desde el Este, y otras desde el Oeste.

En el montaje según el paralelo, la iluminación efectiva es siempre desde el Sur, en el hemisferio Norte, y desde el Norte en el hemisferio Sur, salvo en las zonas tropicales, y salvo a muy primeras horas de la mañana y muy al atardecer, cuando el sol está, a finales de primavera y principio de verano, más al norte que el paralelo local, en el hemisferio Norte, pero entonces su iluminación no es efectiva térmicamente hablando. Esta asimetría de iluminación hace que, para el campo de espejos al Norte del receptor, en el hemisferio Norte, la altura de los centros de los espejos en el plano de trabajo, y por ende en altitud local, pueda ir aumentando a medida que los espejos se alejan del receptor, para tener una mejor reflectividad de la radiación sobre el mismo, con la única limitación de la sombra que los últimos espejos proyectarían sobre el siguiente conjunto de receptor-espejos que puede encontrarse más al norte del conjunto que se está considerando, en el hemisferio Norte. En el hemisferio Sur se da la situación simétrica, respecto de la línea ecuatorial, y el aumento de dicha altura se aplica a los campos al sur del receptor.

La anchura de la superficie activa del receptor, denominada R, se determina en función de la apertura natural de la radiación solar, de 0,0093 radianes, y de la distancia en línea recta desde el punto central del último espejo del campo hasta el punto central del receptor. Con objeto de que la anchura R coincida muy aproximadamente con la apertura transversal de un haz de radiación reflejado desde un punto cualquiera del espejo más lejano, se fija el valor de la anchura R en un 1% de dicha distancia desde el punto central del último espejo del campo hasta el punto central del receptor. Ese 1% se toma como valor de referencia para dicha anchura, pudiéndose escoger valores mayores, hasta el 2%, o menores, hasta el 0,2%, sin que el principio de la invención se vulnere, aunque las prestaciones de la central sean distintas de las obtenibles con el valor de referencia, que produce prestaciones siempre cerca del óptimo. Si se considera que hay que añadir superficie de receptor para incluir posibles desviaciones del haz por culpa de imperfecciones en los espejos, se incrementa la anchura hasta el 2%. Por el contrario, si se desea recibir sólo la parte central del haz, para tener muy alta intensidad de radiación, se reduce la anchura del receptor hasta 0,2%.

La anchura de cada espejo se determina como distancia entre sus extremos, en abscisas del propio sistema de coordenadas de cada espejo, y su determinación se explica posteriormente, pues exige el estudio del desplazamiento lateral, o deriva, de los rayos reflejados. Se denomina E a la anchura genérica de un espejo, que puede ser la misma para todos, o específica de cada uno, según se materialice la invención.

Otra determinación capital es la altura a la que se coloca el receptor, y su inclinación respecto de la horizontal, lo cual depende de la distancia al espejo más alejado del campo en cuestión. Por razones de tener una buena transparencia para atravesar la cubierta del receptor, conviene que los haces reflejados sean lo más perpendiculares que sea posible. Ello lleva a situar el receptor a cierta altura, dándose para ello prescripciones indirectas, pues la inclinación de la cara activa del receptor se define porque ha de quedar normal a la bisectriz del campo desde el punto central de la cara activa del receptor, siendo dicha bisectriz la del ángulo que se forma con las rectas que van desde el punto central de la cara activa del receptor al punto central del espejo más cercano al receptor, y al punto central del espejo más lejano. Como prescripción adicional se indica que el valor del ángulo agudo que forma con la horizontal la recta que une el punto central del espejo mas lejano del campo con el punto central de la superficie activa del receptor, se selecciona en un margen de valores entre 10º y 80º, con un valor de referencia de 45º.

Para determinar el espaciado entre espejos consecutivos, se escoge una contigüidad casi completa entre espejos consecutivos, con objeto de obtener un factor de concentración verdaderamente alto. Ello provoca sombras e interferencias entre espejos, pero asegura que toda la superficie disponible para reflejar la radiación solar sobre el receptor, dentro de los límites que se impongan al campo de espejos, se emplea efectivamente. La contigüidad casi completa significa que no se deja entre espejos consecutivos más espacio que el de las tolerancias de montaje, que se cifran en un valor seleccionado entre el 0,1% y el 5% de la anchura de los espejos. Para la limpieza o reparación de éstos, se sitúan con un ángulo de giro que los lleve a la vertical, o cercanos a ella, lo que puede permitir el acceso del personal o de un robot de limpieza.

La longitud de los espejos ha de ser como mínimo la longitud del receptor, pero es recomendable una longitud algo mayor, con una longitud añadida por el lado desde el cual se va a recibir la radiación solar en las horas de insolación eficiente, que es el sur, en el hemisferio Norte, para los montajes según el meridiano, pudiendo acortarse en igual medida los espejos por el lado norte, y viceversa en el hemisferio Sur. Para los montajes según el paralelo, u orientación Este-Oeste, los espejos deben ser más largos por ambos lados, respecto de la longitud del receptor. En ambos montajes la longitud añadida es igual a la altura del punto medio de la cara activa del receptor, dividida por la tangente de un ángulo de inclinación de la radiación solar, seleccionado en el diseño entre 20 grados y 90 grados sexagesimales.

En los "Modos de realización de la invención" se especifica una determinación de la anchura idónea de cada espejo, aunque puede fijarse una anchura igual para todos por sencillez de montaje. Ambas se determinan en función de la deriva que experimentan los rayos reflejados desde los puntos extremos de cada espejo; siendo dicha deriva el desplazamiento lateral del rayo reflejado desde cada extremo, y estando tal deriva motivada por el giro del espejo para orientarse al sol.

Como colofón de la explicación de la invención es importante señalar que, en tanto que dispositivo de alta concentración, la invención es aplicable a cualquier fin, pues el receptor puede configurarse con dispositivos seleccionados entre tipo térmico, tipo fotovoltaico, u otro tipo de fenómenos que implican transformaciones físico-químicas o moleculares por acción de la radiación.

Explicación de las figuras

Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los elementos son muy dispares; pues por ejemplo, la anchura del receptor y de los espejos será notoriamente inferior a su longitud, y también muy inferior a la altura a la que está soportado el receptor.

La figura 1 muestra un esquema, en sección recta, del dispositivo solar, correspondiendo a un montaje con doble reflector, o montaje dual.

La figura 2 muestra el esquema tridimensional de un conjunto receptor- espejos en el montaje según el paralelo, con disposición al Norte del paralelo en el hemisferio norte.

La figura 3 muestra un corte transversal de la reflexión de rayos sobre un arco circular, identificando la zona focal donde se produce la concentración de la radiación reflejada.

La figura 4 muestra el esquema de un espejo enfocado sobre el punto central del receptor en dos posiciones, la de referencia y otra genérica cualquiera.

La figura 5 muestra esquemáticamente la sección recta de un espejo que gira alrededor de su punto central, en un montaje según el meridiano, desde la posición considerada orto solar efectivo a la de ocaso solar efectivo, pasando por la de referencia, señalando la deriva de los rayos reflejados desde cada extremo.

La figura 6 muestra el esquema geométrico de corrección del efecto de deriva de los rayos reflejados desde un espejo.

La figura 7 muestra los ángulos representativos del giro de un espejo a lo largo del seguimiento de la trayectoria diurna en un montaje según el meridiano.

La figura 8 muestra los ángulos representativos del giro de un espejo a lo largo del seguimiento de la trayectoria diurna en un montaje según el paralelo, cuando los espejos están al sur del receptor, en el hemisferio Norte.

La figura 9 muestra los ángulos representativos del giro de un espejo a lo largo del seguimiento de la trayectoria diurna en un montaje según el paralelo, cuando los espejos están al norte del receptor, en el hemisferio Norte.

La figura 10 muestra el esquema de un espejo realizado como poligonal, inscrita o circunscrita en el arco circular originalmente seleccionado.

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Modo de realización de la invención

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1.

Receptor de la radiación solar, cuya anchura transversal de su cara activa, donde incide y se absorbe la radiación, es R. Puede adoptar diversas posiciones en función de si el montaje es según el meridiano o según el paralelo, pero sus propiedades son genéricas, y va montado sobre pilares o báculos que lo soportan a una altura considerable sobre el terreno. El receptor puede estar constituido de diversos elementos según sus fines. Puede ser un conjunto de células fotovoltaicas; o un haz de tubos de absorción de la radiación por dentro de los cuales circula un fluido calorífero; u otra disposición cualquiera para cumplir la función de captación de la energía reflejada por el campo de espejos. En la figura 1 se muestran dos receptores puestos simétricamente, en un montaje doble o dual.

2.

Superficie o cara activa del receptor (1), cuya anchura transversal es R, donde se absorbe la radiación solar concentrada.

3.

Punto central del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1), en el plano de trabajo de definición de la invención.

4.

Radiación solar directa.

5.

Espejo longitudinal que refleja la radiación solar original sobre el receptor (1), y que es más cercano al receptor.

6.

Radiación solar reflejada por los espejos (7).

7.

Espejo genérico que refleja la radiación solar (4) sobre el receptor (1). Existe una pluralidad de espejos paralelos en el conjunto de ellos, que reflejan la radiación sobre un mismo receptor (1).

8.

Báculos o pilares altos que mantienen en su altura y posición al receptor (1) de radiación y todos sus elementos internos.

9.

Pilares bajos que mantienen en su altura y posición a los ejes de los espejos, genéricamente representados por (7).

10.

Eje de ordenadas del plano de trabajo para un campo de espejos determinado, y es el eje vertical que pasa por el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1).

11.

Eje de abscisas del plano de trabajo, que es la recta horizontal que pasa por el punto central (88) del espejo (5) más cercano al receptor (1), y es por ende perpendicular el eje de ordenadas (10).

12.

Origen de coordenadas, que es la intersección entre los ejes (10) y (11).

13.

Eje de simetría vertical en los montajes duales, distinto del eje (10) que es el eje de ordenadas en el sistema de coordenadas de referencia.

14.

Eje longitudinal de un espejo genérico (7), alrededor del cual gira para adquirir la inclinación transversal precisa para el enfoque solar.

15.

Entronque giratorio, merced a cojinete, del pilar (9) con el eje (14) de giro del espejo genérico (7).

16.

Pieza de sujeción firme del receptor (1) al báculo (8), por la parte superior, permitiendo la dilatación en vertical del receptor, manteniendo su ángulo de inclinación. Puede adoptar diversas configuraciones.

17.

Cables de arriostramiento transversal de los pilares o báculos (8).

18.

Travesaño superior de rigidización de los receptores (1) en los montajes dobles o duales.

19.

Elementos interiores del receptor (1). Puede ser un conjunto de tubos longitudinales, por dentro de los cuales circula el fluido calorífero que se lleva la mayor parte del calor depositado por la radiación en la superficie activa (2) del receptor (1); o puede ser el conjunto de células fotovoltaicas y cables en el caso de la aplicación fotovoltaica.

20.

Centro de la circunferencia de la que es parte el espejo de arco circular (31).

21.

Punto central del espejo de arco circular (31).

22.

Radio que une los puntos (20) y (21).

23.

Rayo solar paralelo a la recta (22).

24.

Punto del espejo (31) donde incide el rayo (23).

25.

Radio que va desde el centro (20) hasta el punto (24).

26.

Ángulo formado por el rayo (23) y el radio (25), en su punto común (24). El radio (25) es la normal en el punto de reflexión, y por ende el rayo reflejado, (27), formará con el radio (25) un ángulo igual.

27.

Rayo reflejado desde el punto (24), por incidencia del rayo (23).

28.

Punto de intersección del rayo (27) con el radio (22).

29.

Ángulo formado por el rayo (27) con el radio (22) en su intersección.

30.

Punto medio del radio (25).

31.

Espejo cuya superficie de reflexión es un arco circular.

32.

Espejo más lejano al receptor, usado para determinar la anchura R de la cara activa (2) del receptor (1).

33.

Terreno y cimentación.

34.

Punto de la cara activa (2) del receptor (1), en el que incide el rayo (48) reflejado desde el extremo (36), cuando el espejo no está en su posición de referencia, sino en otra girada, en la cual el extremo derecho del espejo (genérico, 7) ocupa la posición (36a) (véase figura 4).

35.

Punto central de un espejo genérico, (7).

36.

Extremo derecho del espejo (genérico, 7) cuando éste está en posición de referencia. En la figura 4 aparece también el punto (36a), que es el que ocupa el mismo punto extremo, cuando el espejo se gira a otra posición, para enfocar al sol en otro momento.

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37.

Recta que une el punto central del espejo (7), con el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1). En la posición de referencia del espejo, es la normal en su punto medio.

38.

Rayo que va desde el extremo derecho (36) al punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), cuando el espejo en cuestión está en la posición de referencia.

39.

Rayo incidente en el extremo (36), paralelo a la recta (37), y que se refleja en ese punto, dando origen al rayo (38).

40.

Bisectriz del ángulo de reflexión del rayo (39) al (38), que es la normal al espejo en su extremo.

41.

Ángulo de reflexión del rayo (39) al (38).

42.

Semi-ángulo de reflexión del rayo (39) al (38), comprendido entre el rayo (39) y la bisectriz (40); y a su vez es el ángulo entre las normales (37) y (40).

43.

Rayo solar que incide en (35), procedente del sol cuando está en una posición cualquiera, distinta de la de referencia.

44.

Rayo solar que incide en el extremo (36) (en su posición 36a), procedente del sol cuando está en una posición cualquiera, distinta de la de referencia (como la marcada por el extremo 36a).

45.

Normal al espejo (7) en su punto central, cuyo giro se efectúa para hacer el enfoque al sol, de tal manera que esta normal es la bisectriz entre el rayo incidente (43), y la recta (37) que une el punto central del espejo (7), con el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1).

46.

Semi-ángulo de reflexión entre el rayo (43) y la normal-bisectriz (45).

47.

Semi-ángulo de reflexión entre la recta (37) y la normal-bisectriz (45).

48.

Rayo reflejado desde el extremo (36a), por incidencia del rayo (44), y que incide en la cara activa (2) del receptor (1) en el punto (34). El rayo (48) es paralelo al rayo (38), pues la diferencia angular entre la normal al espejo en su punto central y en su extremo se mantienen siempre, por la propia configuración del espejo, que se gira para que el rayo reflejado en su centro siga yendo por la recta (37), proviniendo esa reflexión del rayo (43), al cual es paralelo el rayo (44). Esa diferencia angular entre normales hace que el semi-ángulo (50) sea mayor que el (46), en una cantidad que es igual al semi-ángulo (42), que es el que caracteriza la diferencia de pendientes entre las normales en el punto central y en el extremo.

49.

Bisectriz de reflexión en el extremo (36a), normal al espejo (7) en su extremo derecho.

50.

Semi-ángulo de reflexión entre el rayo (44) y la normal-bisectriz (49).

51.

Semi-ángulo de reflexión entre la normal-bisectriz (49) y el rayo (48).

52.

Línea horizontal del lugar (véase figura 5).

53.

Ángulo de giro de la normal al espejo en su punto central, desde la posición de referencia a la de enfoque al sol en el orto efectivo, (54).

54.

Rayo del orto solar efectivo.

55.

Rayo del ocaso solar efectivo.

56.

Punto extremo izquierdo del espejo genérico (7).

57.

Recta paralela a la (37), desde el punto extremo derecho (36).

58.

Ángulo Avp del extremo derecho, formado entre la recta (57) y el rayo (38), que sale del punto (36).

59.

Ángulo Avp del extremo izquierdo, que es numéricamente igual, pero de signo contrario al (58) cuando el espejo es simétrico, y está formado por el rayo (60) y la recta (61).

60.

Rayo desde el extremo izquierda (56), que va al centro (3) de la cara activa (2) del receptor (1), en la posición de referencia del espejo (7).

61.

Recta paralela a la (37), desde el punto extremo izquierdo (56).

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62.

Posición de referencia del espejo genérico (7). El eje de abscisas coincide con esta posición, que se asimila a una recta por la aproximación del dibujo, si bien el espejo tiene su concavidad propia, según el radio de curvatura que le corresponde, igual al doble de la distancia desde el punto central del receptor al centro del espejo (35), que a su vez es el origen de este sistema de coordenadas, cuyo eje de ordenadas es la recta (37).

63.

Posición del espejo genérico (7) en el orto solar efectivo.

64.

Posición del espejo genérico (7) en el ocaso solar efectivo.

65.

Posición del extremo derecho del espejo en el orto solar efectivo.

66.

Rayo reflejado desde el extremo derecho en su posición (65), en el orto solar efectivo, siendo un rayo paralelo al rayo (38), y siendo su desplazamiento, medido en abscisas del sistema específico de coordenadas del espejo, la deriva de rayo desde ese punto extremo.

67.

Posición del extremo derecho del espejo en el ocaso solar efectivo.

68.

Rayo reflejado desde el extremo derecho en su posición (67), en el ocaso solar efectivo.

69.

Posición del extremo izquierdo del espejo en el orto solar efectivo.

70.

Rayo reflejado desde el extremo izquierdo en su posición (69).

71.

Posición del extremo izquierdo del espejo en el ocaso solar efectivo.

72.

Rayo reflejado desde el extremo izquierdo en su posición (71), en el ocaso solar efectivo.

73.

Bisectriz al orto, la cual coincide con la normal en el punto central, en el orto.

74.

Bisectriz al ocaso, la cual coincide con la normal en el punto central, en el ocaso.

75.

Ángulo de situación de los rayos solares incidentes (4).

76.

Ángulo de situación de la normal al espejo en su punto central. Es elemento esencial para el enfoque de cada espejo.

77.

Normal al espejo (7) en su punto central (35).

78.

Línea de los rayos en el orto solar efectivo (fig. 7).

79.

Ángulo de la línea de los rayos en el orto solar efectivo.

80.

Bisectriz normal al punto central del espejo, en el orto solar.

81.

Ángulo de la bisectriz (80).

82.

Giro angular del espejo, desde la posición de referencia a la de enfoque al orto solar. Es en este caso el ángulo Agm.

83.

Línea de los rayos en el ocaso solar efectivo.

84.

Ángulo de la línea de los rayos en el ocaso solar efectivo.

85.

Bisectriz normal al punto central del espejo, en el ocaso solar.

86.

Ángulo de la bisectriz (85).

87.

Giro angular del espejo, desde la posición de referencia a la de enfoque al ocaso solar.

88.

Punto central del espejo (5) más cercano al receptor (1).

89.

Punto central del espejo (32) más lejano al receptor (1).

90.

Ángulo de inclinación, respecto de la horizontal, de la cara activa (2) del receptor (1).

\newpage

91.

Bisectriz del campo de espejos, que es la bisectriz del triángulo formado por las rectas (120) y (121), que respectivamente van desde el punto central (3) de la superficie (2) del receptor (1), al punto (88) central del espejo más cercano, (5), y desde el punto central (3) al punto (89), central del espejo más lejano (32).

92.

Proyección de los rayos de la situación de orto y ocaso solar efectivo en el montaje según el paralelo, que en este caso tienen proyección coincidente en el plano de trabajo.

93.

Rayo de la situación de máxima altura que alcanza el sol en el plano de trabajo, en un día determinado, en el montaje según el paralelo.

94.

Bisectriz de reflexión en las situaciones de orto y ocaso, que coincide con la normal al punto central del espejo en cuestión, en esas situaciones.

95.

Bisectriz de reflexión en la situación de máxima altura del sol, que coincide con la normal al punto central del espejo en cuestión, en esa situación.

96.

Extremo derecho de un espejo genérico (7) en el que se aplica la corrección de la deriva correspondiente al sol cuando está en su cenit, en el montaje según el meridiano (fig. 6).

97.

Valor de la deriva a corregir, en el rayo reflejado desde (96).

98.

Punto de la superficie activa del colector en el que Incide el rayo reflejado desde 96, tras la corrección de la deriva.

99.

Ángulo Avx correspondiente a la corrección de la deriva.

100.

Punto de corte en el eje de ordenadas del rayo (101) reflejado desde (96). Se trata de un punto virtual, de prolongación virtual del rayo (101), que se interrumpe físicamente en el punto (98).

101.

Rayo reflejado desde (96) en la situación de referencia del espejo.

102.

Ángulo con el que se subtiende el semi-espejo que va de (35) a (96), desde el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1).

103.

Ángulo con el que se subtiende el semi-espejo que va de (35) a (96), desde el punto (100).

104.

Radio que va desde el centro del círculo (20), al extremo derecha del espejo originalmente circular (31). Véase figura 10.

105.

Radio que va desde el centro del círculo (20), al extremo izquierda del espejo originalmente circular (31).

106.

Ángulo central en (20), del arco del espejo (31).

107.

Ángulo resultante de dividir el valor de (106) por el número de caras poligonales en las que se va a aproximar el arco del espejo (31).

108.

Radio, por la derecha, que forma junto a (105) el ángulo (107).

109.

Bisectriz del ángulo (107).

110.

Segmento, cuya cara superior es especular, que en su punto medio es perpendicular a la bisectriz (109).

111.

Punto extremo izquierdo del segmento (110).

112.

Punto extremo derecho del segmento (110).

113.

Base de apoyo del segmento (110), con la inclinación de su cara superior paralela al segmento (110).

114.

Semieje longitudinal de sujeción del espejo (31), y a su vez coincidente, en los apoyos verticales del espejo, con la mitad inferior del eje completo (14), que es el que apoya y gira en los cojinetes de los pilares bajos (9).

115.

Ángulo Aelev, que es el de elevación sobre la horizontal de la recta que va desde el centro (89) del último espejo del campo, al punto central (3) del receptor (1) (no se contabiliza como los demás ángulos, desde el eje positivo de abscisas).

116.

Distancia, Dmax, desde el centro (89) del último espejo del campo, al punto central (3) del receptor (1).

117.

Longitud, L, del campo de espejos, en sentido transversal, que se mide como la distancia entre los centros (88) y (89) de los espejos más cercano (5) y más lejano (32) del receptor (1), respectivamente.

118.

Altura, H, del punto central (3) del receptor (1), sobre el origen de coordenadas, (12).

119.

Ángulo de posición de la recta que une el punto central del espejo en cuestión, con el punto central del receptor, y que coincide con la normal el espejo en su punto central en la posición de referencia, siendo ángulo relativo al eje positivo de abscisas.

120.

Recta que une el punto (3) con el (88).

121.

Recta que une el punto (3) con el (89).

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Habida cuenta de la importancia de varios ángulos para la especificación de la invención, a continuación se hace una relación de éstos, consignando el número que los identifica, salvo algún caso que obedece a un dato astronómico. Los ángulos son en varios casos de situación de una recta, y en tal caso se miden en sentido levógiro desde el eje positivo de abscisas del sistema en el cual están definidos, que puede ser el general del campo, o el específico de un espejo:

Asol (75) ángulo de situación de la proyección de los rayos de la luz solar (4) sobre el plano de trabajo.

Aer (119) ángulo de situación de la recta que une el punto central de un espejo con el punto central del receptor. Hay por tanto un Aer para cada espejo.

Anor (76) ángulo de situación de la normal a un espejo en su punto central.

Agm, ángulo de giro máximo de la normal a un espejo en su punto central, según gira para el enfoque al sol, respecto de la posición de referencia del espejo. Depende de cada espejo, y de la situación astronómica. Es el elemento (82) en la figura 7 y el (53) en la 5.

Avp, ángulo de inclinación del rayo que sale de un extremo del espejo en situación de enfoque en posición de referencia, respecto a la normal al espejo en su punto central. En la figura 5 es el (58) para el extremo derecho, y el (59) para el izquierdo.

Acf, que es el ángulo complementario de la latitud del lugar más un valor seleccionado entre 1º y 23º, tomándose 20º como valor de referencia, y no pudiendo pasar de 90º, que es el límite máximo de su valor.

Aelev (115) ángulo agudo formado por la recta que va desde el punto central (89) del espejo más lejano al punto central (3) del receptor, y el semieje de abscisas más cercano.

Avx (99) ángulo para corrección de la deriva (figura 6).

Ace (102) ángulo que subtiende un semiarco del espejo (fig. 6)

Acn (103) ángulo que subtiende un semiarco del espejo, desde el centro corregido por la deriva (fig. 6).

Arc (26) ángulo formado por un rayo incidente y el radio de la circunferencia en el punto en el que incide (fig. 3).

Aic (29) ángulo de incidencia del rayo reflejado en un espejo de arco circular, sobre el eje de simetría (fig. 3).

Agc, mitad del valor del ángulo que forma la recta que une el punto central de un espejo con el punto central del receptor, y la vertical.

Ate (106) ángulo con vértice en el centro del arco del espejo, con el cual se abarca todo el espejo circular en cuestión (fig. 10).

Asp (107) ángulo con vértice en el centro del arco del espejo, que vale Ate dividido por el número de lados poligonales con los que se va acubrir todo el espejo circularen cuestión (fig. 10)

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Asimismo es pertinente listar un conjunto de letras mayúsculas que tienen particular relevancia en la explicación de la invención, y en su materialización:

R es la anchura transversal de la cara activa del receptor (1).

E es la anchura genérica de un espejo, que puede ser la misma para todos, o específica de cada uno, según se materialice la invención.

D es la distancia desde el punto central de un espejo al punto central de la cara activa del receptor

Dmax (elemento 116) es el máximo valor de D, que corresponde al último espejo del campo (el más alejado del receptor).

L (elemento 117) es la longitud del campo de espejos, en sentido transversal.

H (elemento 118) es la altura del punto central (3) del receptor (1), sobre el origen de coordenadas (12).

P es el cociente entre la máxima deriva de rayos que se admite en los espejos, y el valor de la anchura R de la superficie activa (2) del receptor (1).

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Para materializar esta invención, se dispone un conjunto de espejos (7) de forma rectangular alargada, que pueden estar hechos de cualquier material reflectante, teniendo los espejos un armazón estructural inferior para mantener su forma y poder ser girados alrededor de su eje de sujeción longitudinal (14) que coincide con eje de simetría de la superficie especular. Estos espejos se emplazan sobre pilares bajos (9), provistos en su tope superior de una abrazadera que aferra a un cojinete (15) que a su vez sujeta al eje estructural (14) de giro del espejo (7). Se montan en paralelo varios espejos de estas características, que en la versión básica de la invención tienen todos ellos la misma anchura transversal, que se define en función de la anchura de la cara activa (2) del receptor (1), que es el 1% de la distancia desde el centro del espejo más alejado (89), al punto central (3) del receptor en cuestión, aunque este valor de referencia se pueda cambiar, seleccionando otro porcentaje, del mismo orden de magnitud, entre 0,2% y 2%. Conviene recordar que se fija el 1% de la distancia dicha, en función de la apertura natural de la radiación solar, de 0,0093 radianes (que equivale a 1/107 radianes). Si se considera que hay que añadir superficie de receptor para incluir posibles desviaciones del haz por culpa de imperfecciones en los espejos, se incrementa la anchura hasta el 2%. Por el contrario, si se desea recibir sólo la parte central del haz, para tener muy alta intensidad de radiación, se reduce la anchura del receptor hasta 0,2%.

Cada espejo tiene una superficie especular cóncava hacia el receptor, caracterizada por ser un arco circular con un radio de curvatura que es doble de la distancia desde el punto central de dicho arco al punto central (3) de la superficie activa del receptor en la versión básica, aunque la invención incluye otras alternativas. La anchura específica de cada espejo, o la anchura igual para todos ellos, se determinan tras haber caracterizado algebraicamente la deriva de los rayos reflejados al girar cada espejo para su enfoque al sol.

La invención se completa disponiendo de un conjunto de pilares altos o báculos (8) que forman una hilera longitudinal como la mostrada en las figuras 1 y 2, soportándose el receptor (1) en dicha hilera de pilares, generalmente en versión dual, aunque en algunos montajes según Este-Oeste se puede optar por un solo receptor, como en la figura 2. En paralelo a esa hilera se dispone el conjunto de espejos longitudinales (7), soportados sobre sus ejes sólidos de giro (14), a su vez soportados por hileras de pilares bajos (9), que entroncan con los anteriores en las piezas (15). Habida cuenta de que la disposición es uniforme en sentido longitudinal, y puede tener la longitud que se requiera, la descripción de la invención y sus prescripciones cuantitativas se realizan en el plano de trabajo correspondiente, que es siempre normal a los ejes longitudinales de montaje, que entre sí son paralelos.

La dimensión más importante de determinar en el receptor (1) es la anchura transversal de su superficie activa (2), que ha de ser proporcional a la capacidad del campo solar para concentrar la radiación originaria (4), merced a la radiación reflejada (6), que incide sobre la superficie (2).

Como datos ilustrativos se puede citar un campo de espejos con orientación Norte-Sur en el cual la distancia del punto central del espejo más alejado del punto central del receptor es de 100 m, por lo cual la anchura de la superficie activa del receptor es de 1 m, y ese mismo valor se toma para la anchura de los espejos, matizándose esta cuestión por ser los espejos ligeramente cóncavos. Como ejemplo, un espejo cuyo punto central está a 50 m del punto central del receptor (1), tiene como perfil de su superficie un arco circular de 100 m de radio. Ello significa que el valor de dicho arco es de 1/100 radianes, que equivale a 0,5729º, ó a 34,3'. Medido en el sistema de coordenadas del propio espejo, el extremo derecho del espejo tiene por abscisa 0,5 m; y por ordenada 1,25 mm. La pendiente del espejo en ese punto es la tangente del semi-ángulo de apertura del arco del espejo, es decir, 1/200 radianes, lo cual vale 0,005. Lógicamente los datos para el extremo izquierdo son simétricos. Y hay que tener en cuenta que las inclinaciones o pendientes relativas de las normales en los extremos, o en cualquier otro punto del arco, respecto de la normal en el punto central, van a mantenerse siempre en ese valor, con independencia del giro que se le dé al espejo, lo cual es una propiedad fundamental para entender el fenómeno de deriva de la radiación reflejada desde el espejo, cuando éste no está en posición de referencia.

La concentración de radiación sobre la superficie activa (2) del receptor (1) depende de la reflexión en los espejos cilíndricos de sección recta circular, de la que es importante determinar sus características fundamentales, con ayuda de la figura 3. En el espejo (31), que es un arco circular, incide un haz de rayos paralelos (a los que luego habrá que superponer la apertura natural de la luz solar) que en este caso son paralelos además a su línea de enfoque, que es el radio (22). De modo que el rayo genérico (23), paralelo al radio (22), incide en el punto (24) del espejo (31), formando un ángulo Are (26) con el radio (25) que es la normal al espejo en ese punto, por lo que el rayo se refleja en la trayectoria (27), que forma el mismo ángulo Are, por el otro lado, con el radio (25). Ese rayo corta al radio central (22), en el punto (28), y con un ángulo Aic (29) que es el doble de Are. Se forma así un triángulo entre los puntos (20), (24) y (28), del que se puede obtener la posición de este último en el radio (22). Si se aplica el teorema del seno a dicho triángulo, que es isósceles, se han de utilizar dos longitudes: el radio "O", que va de (20) a (24); y el lado "I", que va de (20) a (28), y se tiene

I/O = senArc/sen (180º - Aic)

donde se ha tenido en cuenta que Aic es el suplementario del ángulo obtuso del triángulo en cuestión; pero a su vez

sen (180º - Aic) = senAic

por lo que queda

I/O = senArc/senAic

y si es válida la aproximación de igualdad entre el seno y el arco

I/O = Arc/Aic = ½

En la figura 3, que no está a escala pues su anchura hubiera debido ser la centésima parte de su altura, obviamente no se cumple la aproximación; pero en los casos prácticos buscados, sí se cumple.

A cada espejo se le hace seguir la misma pauta de especificaciones de giro para proporcionar el enfoque al sol asociado de la invención, y que se realiza usando como herramienta la normal (77) al espejo (7) en su punto central (35). El espejo se gira hasta que esta normal coincide con la bisectriz del ángulo formado por el rayo central del haz solar incidente en el punto central del espejo, y la recta que une dicho punto central con el punto central de la superficie activa del receptor, expresado todo ello en la proyección en el plano óptico o de trabajo (como se señala en la figura 4 para dos posiciones distintas del espejo). El espejo se va girando según el sol avanza en su trayectoria diurna, desde una posición del sol que se denomina orto efectivo, y es a partir de la cual es relevante a efectos prácticos la radiación recibida, y se continúa hasta el ocaso efectivo, cuando esos efectos prácticos desaparecen.

Los efectos de ese giro del espejo se evidencian con ayuda de la figura 4. En ella se ve al espejo genérico (7) en dos posiciones, la de referencia, identificada porque su punto extremo derecho es el (36), y otra cualquiera, en la que el extremo se ha girado hasta el punto (36a). Su punto central (35) permanece fijo, y alrededor de él gira el espejo, lo cual es ostensible en su extremo derecho.

En la posición de referencia, el espejo recibe la radiación en la dirección que va desde el centro (3) del receptor (1) al centro del espejo (35), lo cual es un tanto paradójico, pues al menos la parte central del espejo estaría en sombra por el propio receptor, pero esta situación es habitual en los colectores solares, y en particular en los cilindro-parabólicos, en los cuales su línea central del espejo siempre está en la sombra de su tubo receptor. En todo caso, ésta es la posición en la que se ajusta la concentración de la radiación reflejada desde el espejo genérico (7) sobre el punto central (3) del receptor (1), entendiendo que esa concentración lleva sobrepuesta la dispersión propia de la apertura de la radiación solar.

Se aprecia que el rayo central (39) del haz incidente en el extremo del espejo (36) también es reflejado, a través del rayo (38), en el punto central (3) del receptor, (1). Y es importante recordar que el ángulo formado entre la normal (37) en el punto central del espejo (35), y la normal en su extremo (40), será siempre el mismo (42), con independencia del giro que experimente el espejo. Eso es relevante al considerar cualquier otra posición del sol, como la representada en la citada figura 4, en la que el sol incide, en sus rayos centrales, por los rayos (43) y (44). El primero de ellos, que incide en el punto central (35) del espejo (7), es reflejado sobre el punto central (3) del receptor (1), porque la normal (77) en el punto central del espejo (35) es la bisectriz (45) del ángulo formado por el rayo central (43) del haz solar incidente en el punto central (35) del espejo, y la recta (37) que une dicho punto central (35) con el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1). El rayo (44), incidente en el extremo (36a), se refleja de tal manera que la bisectriz del ángulo de reflexión es la normal (49) al espejo en el extremo, lo cual hace que el rayo reflejado (48) sea paralelo al rayo (38), pero parte de otro punto distinto (36a), pues el espejo ha girado un determinado ángulo desde la posición de referencia. Esto hace que el rayo (48) incida en el receptor en otro punto (34) de su superficie activa (2), y no en el central (3) como antes en la posición de referencia. Esta deriva experimentada por los rayos reflejados por el espejo (7) es importante, pues tiende a reducir la intensidad de concentración que se consigue en dicha superficie activa.

Es muy importante señalar esta propiedad de los espejos rotativos, sea cual sea su geometría, pues la forma se mantiene en los giros, y se mantienen asimismo los valores de los ángulos que forman dos normales cualesquiera, correspondientes a dos puntos bien definidos del espejo. La propiedad establece que los rayos solares reflejados desde un determinado punto del espejo serán paralelos entre sí, para los diversos giros del espejo, si el espejo se gira para su enfoque a la radiación solar de tal manera que el rayo reflejado desde el punto central y pivote del espejo siga siempre la misma trayectoria (que en este caso es la que va desde ese punto al central de la superficie activa del receptor). Esta propiedad geométrica no parece haber sido identificada previamente en ningún diseño de este tipo de dispositivos concentradores de la radiación solar, lo que ha permitido mayor precisión en las especificaciones de esta invención.

En la figura 5 se presenta un modo gráfico de cálculo suficientemente aproximado de la cuantía de la deriva, siempre dentro de la aproximación de que para el espejo se cumple que el arco (en radianes) y su seno coinciden en valor. En la figura aparece la línea de horizonte (52) que no es horizontal en el dibujo, porque la figura está girada, y la horizontal del dibujo se reserva para el eje de abscisas del sistema de coordenadas del espejo, no del sistema en general. El eje de ordenadas coincide con la recta (37) desde el punto central del espejo al centro del receptor, en la posición de referencia, en la cual el espejo se representa por una recta horizontal; aunque propiamente es un arco circular, pero su curvatura es prácticamente imposible de representar a escala en este dibujo, pues la ordenada en el extremo es menor de una milésima de su abscisa. El extremo derecho en la posición de referencia es el punto (36), y el extremo izquierda es el punto (56).

El espejo se gira en un rango de ángulos que cubren el enfoque solar desde el orto efectivo al ocaso efectivo, y para esos valores extremos se dibujan los correspondientes rayos que se reflejarían desde cada extremo. La figura corresponde a un montaje según el meridiano, con un orto efectivo de 30º (rayo 54) y un ocaso efectivo de 150º (rayo 55) respecto de la línea de horizonte, que es a su vez paralela al eje de abscisas del sistema de coordenadas general. Como el seguimiento del sol se realiza a lo largo de 120º, la normal al espejo en su punto central, y por ende el propio espejo, giran la mitad de esa cantidad, es decir, 60º, debido a las propiedades de reflexión.

Se ha denominado Agm al ángulo de giro máximo de la normal al espejo en su punto central, respecto de la posición de referencia del espejo, tal como la normal se va acomodando para que el espejo haga el seguimiento de la trayectoria solar (lo cual corresponde en la figura 7 al ángulo (82), pues el máximo giro se produce cuando el espejo se ha de enfocar al sol en su orto eficaz).

Se ha denominado Avp al ángulo que forma, en la posición de referencia del espejo, la normal al espejo en su punto central (35), que llega al punto central (3) de la cara activa del receptor, con la recta que une dicho punto central (3) de la cara activa del receptor con el extremo del espejo que se trate. En la figura 5, en el extremo derecho del espejo, el ángulo Avp (58) es levógiro, y por tanto positivo en el sistema de coordenadas definido para el espejo. Y si es el extremo izquierdo, ese ángulo (59) es dextrógiro, y por tanto negativo en ese sistema de coordenadas. En un espejo simétrico, hecho de un solo arco circular, dicho ángulo Avp es en valor absoluto igual en los dos extremos, y a su vez igual al semi-arco del espejo, medido desde su centro de curvatura, dentro de la aproximación de ser iguales el arco y su seno.

La deriva d se mide sobre el eje de abscisas del sistema de coordenadas del espejo, aunque luego se puede proyectar sobre cualquier otra recta. Su valor se determina teniendo en cuenta la proyección sobre dicho eje de la semi- anchura E/2 del espejo, desde la posición del espejo que más se aparta de la de referencia, que en este caso es la del orto efectivo (54). La deriva se calcula en función de los ángulos antedichos, siendo en este caso Agm el ángulo (53) en la figura 5, que lleva la normal al espejo en su punto central desde la posición de referencia (37) a la de enfoque al sol en el orto efectivo, para lo cual la normal pasa a coincidir con la bisectriz (73).

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En el extremo izquierda, (56) en el que las derivas son positivas, por ser de abscisas crecientes, se tiene la ecuación

d_{i} = (E/2) \cdot (1 - cos Agm - senAgm\cdottgAvp)

donde tanto Agm como Avp son dextrógiros. En el enfoque al orto, la posición del extremo izquierda es la (69), y el rayo reflejado desde allí es el (70). La información se complementa con la situación de enfoque al ocaso, en el cual la normal al espejo en su punto central (35) es la bisectriz (74), y el extremo izquierda ocupa el punto (71), siendo el rayo (72) el reflejado desde allí.

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Para el extremo derecho (36), Agm es dextrógiro, pero Avp es levógiro, y en atención a las relaciones trigonométricas de la figura 5, se tiene una deriva negativa

d_{d} = (E/2) \cdot (cos Agm - 1 + senAgm\cdottgAvp)

En el enfoque al orto, la posición del extremo derecho es el punto (65), pues el espejo ocupa la recta (63), y el rayo reflejado desde el extremo derecho es el (66). En el enfoque al ocaso, en el cual el espejo ocupa la recta (64), y el extremo derecho ocupa el punto (67), el rayo reflejado desde allí es el (68), que queda muy próximo al (38), y lógicamente paralelo a él.

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Como orientación de valores de las derivas, se tiene que un valor razonable de Agm para el montaje según el meridiano es de 45º, mientras que en un montaje según el paralelo puede ser de 25º. Por su parte, el valor de Avp puede ser de 2º (0,0349 radianes) e incluso menos. Con estos datos se obtiene que la deriva del extremo derecho, que es la mayor, vale 0,159E en el montaje según el meridiano; y 0,055E en el montaje según el paralelo.

Como valor de referencia para la anchura R de la superficie activa del receptor, que es un dato dominado por la apertura de la radiación solar, se ha tomado un 1% de la distancia desde el punto central del espejo más alejado al punto central del receptor. Como la deriva no debe pasar de un 15% de esa anchura para evitar desenfoques apreciables, se deduce que en los montajes según el meridiano, la anchura del espejo tiene, como valor de referencia, la misma anchura del receptor; mientras que en el montaje según el paralelo, la anchura de los espejos tiene, como valor de referencia máximo, el triple de la anchura del receptor. Si se es más estricto en la tolerancia de la deriva, la anchura de los espejos decrece, lo que en cierta medida encarece la construcción, por aumentar el número de pilares de sujeción de espejos y sistemas de enfoque y giro. Ello conduce a escoger una anchura de espejos igual a la de la cara activa del receptor, como prescripción básica para el montaje según el meridiano, y tres veces dicha anchura, para los montajes según el paralelo.

Ello permite reconfigurar ligeramente el espejo, haciéndolo de dos semi-arcos circulares, uno para cada ala, con pendiente nula en el centro, en su sistema de coordenadas, de tal manera que se corrija el efecto de deriva de cada lado, sabiendo que en ambos casos las derivas son centrípetas, y tal como se separa el espejo de la posición de referencia, los rayos reflejados se desplazan a la parte contraria de la que parten. Ello proporciona la base geométrica de un complemento de la invención, en el cual el semi-sector de la derecha se enfoca en un punto más a la derecha del punto central, a una distancia de éste, sobre la superficie activa del receptor, seleccionada entre el 10% y el 90% del valor de la deriva máxima del extremo derecho, y que en el caso óptimo se limita a 20%, pues el valor máximo de la deriva se obtiene en el orto efectivo, que no tiene todavía intensidad de radiación apreciable. Similarmente, el semi-sector de la izquierda se enfoca en la posición de referencia, que es con la que se construye el espejo, en un punto más a la izquierda del punto central, a una distancia de éste, sobre la superficie activa del receptor, seleccionada entre el 10% y el 90% del valor de la deriva máxima del extremo izquierdo, y de nuevo el caso óptimo es del 20% de la deriva máxima. En cada ala, el radio de curvatura del sector es el doble de la distancia que hay desde el punto central del espejo al punto en el que la prolongación virtual del rayo reflejado desde cada extremo en la posición de referencia, corta al eje de ordenadas, y se dice prolongación virtual porque el rayo ha impactado previamente con la superficie activa del receptor. Con este ajuste fino de cada ala del espejo, se pueden obtener distribuciones diferentes en la intensidad de la radiación concentrada sobre la cara activa del receptor. No obstante, complican algo más la construcción del espejo.

Una solución de perfecto compromiso es hacer el espejo simétrico, con un solo arco circular, pero dando a éste un radio de curvatura algo mayor que el doble de la distancia entre el punto central del espejo y el punto central del receptor. Concretamente, para los espejos de los montajes según el meridiano el aumento del radio de curvatura se puede seleccionar entre el 0 y el 10%, y en los montajes según el paralelo, entre el 0 y el 5%, respecto de la distancia de referencia, que es el doble de la existente entre el punto central del espejo y el punto central de la superficie activa del receptor.

Se puede dar mayor precisión a esta solución para el montaje según el meridiano, haciendo que los rayos extremos reflejados del rayo solar central incidente en ellos, incidan sobre el punto central (3) de la cara activa del receptor, cuando el sol esté en el cenit, en su proyección en el plano de trabajo, que es el momento de mayor iluminación teórica. Para ello se tiene en cuenta que, respecto de la posición de referencia, el espejo, y por ende la normal en su punto central, ha de girar un ángulo Agc que es

Agc = (90º - Aer)/2

siendo Aer el ángulo, respecto al eje abscisas del sistema general de coordenadas, de situación de la recta que une el punto central del espejo (35) con el punto central (3) del receptor. Las derivas en los extremos izquierdo y derecho quedan respectivamente como

d_{i} = (E/2) \cdot (1 - cos Agc - senAgc\cdottgAvp)

d_{d} = (E/2) \cdot (cos Agc - 1 + senAgc\cdottgAvp)

Como Agc es menor de 45º, su seno es como mucho igual a su coseno, pero en general será mucho más pequeño. A su vez, el ángulo Avp es muy pequeño, y su tangente, en valor absoluto, se puede aproximar al arco, que es

Avp(radianes) = (E/2)/D

siendo D la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) del receptor (1), la cual es mucho mayor que la anchura del espejo, E. Ello induce a despreciar el último sumando en los paréntesis de las ecuaciones de las derivas, lo que da

d_{i} = (E/2) \cdot (1 - cos Agc)

d_{d} = (E/2) \cdot (cos Agc - 1)

siendo las derivas del mismo valor absoluto pero de signos contrarios, pues es positiva la de la izquierda, y negativa la de la derecha. Así pues, para corregir este efecto de tal manera que cuando el sol esté en el cenit, los rayos desde los extremos incidan en el punto central del receptor, en la posición de referencia los rayos deben incidir en puntos alejados del punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1) en valores absolutos iguales a esta deriva, con el de la derecha más a la derecha, y el de la izquierda más hacia la izquierda.

Esto lleva a un radio de curvatura algo más grande que el de la prescripción básica, de ser el doble de la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) del receptor (1), pues ahora los rayos de los extremos convergen en el eje de coordenadas en un punto más alejado (100) según se explica en la figura 6 (de forma ampliada, sin poder conservar la escala). Para calcular dicho punto (100), véase que en la prescripción básica, una mitad del espejo se ve desde el punto central del receptor con un ángulo Ace (102), que en radianes es

Ace = E/(2D)

La variación angular, o ángulo Avx (99), del rayo reflejado (101) desde el extremo derecha en la nueva prescripción, respecto de la trayectoria de la prescripción básica, es, en radianes, el valor de la deriva a corregir:

Avx = (E/(2D))\cdot(1 - cos ((90º - Aer)/2))

Por lo que el arco Acn (103) con que se vería el semi-espejo desde el punto de convergencia (100) de los rayos de los extremos con el eje de ordenadas, en esta nueva concavidad del espejo, es

Acn = Ace - Avx = (E/(2D))\cdotcos ((90º - Aer)/2)

El nuevo radio de curvatura, RCn, del espejo será el doble de la distancia que hay desde el punto de convergencia (100) de los rayos de los extremos, al punto central (35) del espejo (7); y teniendo en cuenta el arco Acn (103) y la semi-anchura E/2, se tiene

RCn = (2\cdotD)/(cos ((90º - Aer)/2))

Por ejemplo, si un espejo está montado con un Aer de 135º, su nuevo radio de curvatura será 1,08 veces el básico, que es 2D. Para un espejo con Aer de 150º, que estaría ya muy tendido, pues vería el receptor con una elevación de sólo 30º, se tendría que el radio de curvatura crecería en esta prescripción un factor 1,154.

Es importante retener que las prescripciones se dan teniendo en cuenta el plano de trabajo, aplicado a la circunstancia concreta que se estudia y al montaje del sistema. No obstante, como el plano de trabajo corta perpendicularmente a los ejes longitudinales de los espejos y del receptor, las dimensiones dadas en estas prescripciones son exactamente las que se tienen que aplicar en la realidad.

En la figura 7 se representa un montaje según el meridiano, y se muestra sólo el campo de espejos de la derecha. El de la izquierda será simétrico, pues lo que ocurre a uno antes del mediodía local le ocurre al otro después del mediodía, por lo que basta con estudiar un lado del sistema, para lo cual se emplea el sistema general de coordenadas, con su eje de ordenadas (10) como la vertical que pasa por el centro (3) de la cara activa (2) del receptor (1); y el de abscisas (11) como la recta horizontal que pasa por el centro de los espejos, que se supone están todos a igual altura en este caso, aunque la invención puede aplicarse también a casos con alturas distintas, si bien no es lo aconsejado en este montaje. La intersección de ambos ejes es el origen del sistema (12). Para un espejo genérico se representa su centro (35) que es su punto fijo, y el ángulo Aer (119) que es el que sitúa la normal al espejo en su punto central, en la posición de referencia. La actuación del espejo en un día tipo se realizará desde que el sol alcanza el ángulo de su orto efectivo (79) en el cual envía los rayos (78), hasta su ocaso efectivo, marcado por el ángulo (84), con los rayos llegados por la recta (83). La normal al espejo en su centro se gira para ser la bisectriz en todo momento del ángulo que forman los rayos del sol y la recta (37), que une los puntos centrales (35) y (3) del espejo (7) y del receptor (1) respectivamente. Ello lleva a la bisectriz (80), para el enfoque al orto, caracterizada por el ángulo (81) que es semisuma de los ángulos (79) y (119); y a la bisectriz (85) para el ocaso, con su ángulo (86), que es semisuma de los ángulos (84) y (119). Eso hace que el ángulo máximo que ha de girar el espejo sea el (82), que va desde la posición de referencia a la del orto. El ángulo (87), de giro hasta el ocaso, es en este caso más pequeño, lo que implica una menor deriva. Lógicamente en el campo izquierdo, no representado en el dibujo, la situación se invierte, por ser simétrica.

En el montaje según el paralelo, en el hemisferio Norte, los espejos al sur del receptor están siempre en el mismo lado que el sol, y los espejos del campo al norte del receptor están siempre al otro lado del sol, respecto del receptor. Existen excepciones astronómicas en la zona tropical, por lo cual la definición de hemisferio se debe aplicar no respecto del ecuador geográfico, sino del plano que contiene al sol y al centro del planeta en un momento dado.

Y el problema que aquí se presenta es que la altura que alcanza el sol en el plano de trabajo no llega, en general, a los 90º, y además varia mucho a lo largo del año. No obstante, se puede tomar como valor superior de la elevación del sol en el plano de trabajo un ángulo que denominamos Acf, cuyo valor es la suma del ángulo complementario de la latitud del lugar más un valor seleccionado entre 1º y 23º, tomándose 20º como valor de referencia (para tener en cuenta que la central tendrá mejores prestaciones en verano, y que la inclinación del eje de la eclíptica es de 23º 45') y teniendo este ángulo Acf un valor máximo de 90º. El análisis hecho antes para el montaje según el meridiano sirve conceptualmente para el montaje según el paralelo, sustituyendo en la ecuación anterior 90º por Acf, por lo que el nuevo radio de curvatura en los montajes según el paralelo, RCnp es

RCnp = (2\cdotD)/(cos((Acf - Aer)/2))

Conviene precisar que aunque se han dado prescripciones básicas de la anchura de los espejos, la anchura específica de cada espejo se determina en función de un valor P, que se fija por diseño, siendo este valor P el cociente entre la máxima deriva de rayos que se admite en los espejos, y el valor de la anchura R de la superficie activa (2) del receptor (1); identificándose, para el espejo en cuestión, el ángulo Agm, que en los montajes según el meridiano es la mitad del mayor ángulo de los dos siguientes:

-

el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares en el orto efectivo, sobre el punto central del espejo;

-

el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares en el ocaso efectivo, sobre el punto central del espejo;

y en los montajes según el paralelo es dicho ángulo Agm la mitad del que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que desde el punto central del espejo tiene un ángulo de situación sobre el eje positivo de abscisas igual a la suma del ángulo complementario de la latitud más 20º, sin poder exceder este ángulo de situación de 90º;

siendo la anchura E del espejo en cuestión la dada por la ecuación

E = (2\cdotP\cdotR)/(1 - cosAgm)

Las figuras 8 y 9 muestran respectivamente un receptor y un campo montado según el paralelo astronómico local, o Este-Oeste, en el primer caso con los espejos desplegados al sur del receptor, en el hemisferio Norte; y en el segundo con los espejos desplegados al norte, en el hemisferio norte. En el sur se revertirían las posiciones.

En la figura 8 se muestra también la altura H (118) a la que está localizado el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), y el ángulo de inclinación (90) de éste respecto del eje de abscisas. La prescripción que se adopta para esta inclinación es que la cara activa sea normal a la bisectriz del campo, que es la bisectriz del ángulo formado por las rectas que unen el punto (3) con los puntos centrales (88) y (89) de los espejos más cercano (5) y más lejano (32), respectivamente, siendo tal bisectriz la recta 91.

En este caso la posición de los rayos en el orto y el ocaso coinciden, por simetría entre mañana y tarde, según se indica con los rayos (92). Los rayos (93) representan la máxima altura que el sol adquiere, lo cual varía a lo largo del año. Esta variación también afecta al montaje según el meridiano, pues la irradiación solar en el momento que llega al cenit en el plano de trabajo decrece en invierno, y aumenta en verano. Para el caso de la figura 8, se muestran las bisectrices (94) y (95) correspondientes a los momentos más bajo (orto y ocaso efectivos) y más alto del sol en el plano de trabajo, en los cuales la bisectriz correspondiente ha de ser normal al espejo en su punto central.

En la figura 9 se aprecia que los ángulos de reflexión en ese montaje con el campo al norte del receptor, en montaje Este-Oeste, son menores que los del caso anterior, de la figura 8, lo cual tiene otros efectos, que se comentan más adelante en este apartado. En esta figura se muestran otros elementos que sin/en para la materialización de la invención, como es la distancia horizontal o longitud transversal del campo de espejos (117) que llega desde el punto central (88) del espejo más cercano, hasta el punto central (89) del espejo más lejano, desde el cual se ve el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1) con un ángulo de elevación (115), siendo dicha visual la recta (116), cuyo segmento entre los puntos (3) y (89) es la distancia Dmax que sirve para dimensionar la anchura de la cara activa (2) del receptor (1).

Los espejos se montan contiguos, sobre las hileras correspondientes de pilares bajos (9) que mantienen su eje de giro (14), que a su vez es la viga principal de la que salen las pequeñas ménsulas transversales que soportan rígidamente el espejo longitudinal, dejando entre dos espejos consecutivos paralelos un espacio reducido, de entre 0,1 y 5% de la anchura de espejo, según tolerancias de montaje en el terreno.

Por otro lado, la materialización de la invención comporta la erección de una estructura que soporta a cierta altura un receptor de tipo longitudinal. La altura a la que se ubique el receptor y la longitud transversal del campo de espejos, así como la dimensión longitudinal del receptor y los espejos, son parámetros de diseño que se seleccionan en función de la concentración de la radiación solar que se pretende obtener en el receptor, y no limitan la aplicación de la invención. Tampoco la limitan los materiales empleados en cada componente del sistema, aunque por razones elementales dichos materiales conviene que presenten las propiedades ópticas y térmicas adecuadas a su función, y los espejos, por ejemplo, conviene que tengan una reflectividad alta a los fotones de la radiación solar directa. En la parte final de este apartado se dan ejemplos de aplicación de la invención a diferentes objetivos de concentración de la radiación solar.

La inclinación de la superficie activa (2) del receptor (1) se define porque ha de quedar normal a la bisectriz del campo (91) desde el punto central de la cara activa del receptor, siendo dicha bisectriz la del ángulo que se forma con las rectas que van desde el punto central de la cara activa del receptor al punto central (88) del espejo (5) más cercano al receptor, (1), y al punto central (89) del espejo más lejano (32). En cuanto a la altura del punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), no hay prescripciones definitorias directas, pero sí indirectas, pues el valor del ángulo agudo (115) que forma con la horizontal la recta que une el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1) se selecciona en un margen de valores entre 10º y 80º, con un valor de referencia de 45º. Este valor está a su vez relacionado con la cantidad de superficie que se cubre con el campo de espejos, y de la máxima distancia que se permite entre el último espejo y el receptor, pues cuando es muy larga, en condiciones de verano de aire muy caliente, la turbulencia de la atmósfera perjudica el enfoque de los rayos desde los espejos lejanos sobre el receptor.

Como indicativo del factor de concentración alcanzable con dispositivos convencionales, cabe señalar que en los colectores cilindro-parabólicos se concentra toda la radiación que llega por la abertura óptica de su espejo, que es del orden de 6 m en la sección transversal, en la circunferencia de un tubo de 7 cm de diámetro, es decir, 22 cm de circunferencia; pues aunque sólo se ilumine en la reflexión la semicircunferencia de abajo, la otra se calienta por conducción y convección interior. Eso implica un factor de concentración de 27, medido sobre toda la circunferencia. Si se mide sobre la semicircunferencia iluminada, es de 54. Con esos valores, se obtienen temperaturas de fluidos caloríferos por encima de 400ºC, aunque por lo común se limite a menos, por degradarse a más temperatura el aceite usado. Eso significa que en el montaje de esta invención, se debe obtener una concentración del orden de 50.

Se aprecia en la figura 1 que hay dos configuraciones de reflexión en estos montajes, según el sol esté en el mismo lado que el campo de espejos, respecto del receptor, a lo cual se denomina posición cis, como es en el campo de la derecha de la figura 1, o que estén el sol y el campo de espejos en lados distintos respecto del receptor, lo cual se denomina posición trans, y es el caso del campo de la izquierda en la figura 1. A priori, la posición trans emplea mejor la superficie del espejo, porque tiene un semi-ángulo de reflexión menor, y la cantidad de radiación efectivamente reflejada por un espejo perfecto, por unidad de superficie de espejo, respecto de la incidente, es la radiación original incidente multiplicada por el coseno del semi-ángulo de reflexión. Sin embargo hay que anotar dos efectos; primero, los espejos no son perfectos, tienen una absortividad no nula, que atenúa la radiación, pero esta absortividad disminuye tal como el semi-ángulo de reflexión aumenta, por lo cual la posición cis está en ventaja respecto de la trans; segundo, los espejos en cis tienen posiciones más horizontales, y proyectan menos sombras unos sobre otros cuando se ponen contiguos; al contrario que los espejos en trans, que sí tienen interferencias ópticas cuando se ponen contiguos, lo cual vuelve a beneficiar a los de posición cis, cuando se ponen los espejos muy cercanos entre sí. Y éste es un requisito esencial para conseguir un alto factor de concentración, aunque no se empleen los espejos en trans de manera totalmente eficiente, pues parte de ellos no recibirán radiación por sombra del vecino.

En ese sentido, y con los espejos casi contiguos cubriendo un campo en posición cis, como el de la figura 8, o en posición trans como el de la figura 9, se tiene que la práctica totalidad de la radiación solar se puede recuperar, con dos factores de pérdidas:

- el efecto coseno de la radiación incidente (4) respecto de la vertical al suelo (que es el coseno del ángulo complementario al (75)), que es un dato astronómico que en cada momento hay que proyectar sobre el plano de trabajo, y que es igual para los campos cis y trans;

- la reflectividad de los espejos, que será mayor en los campos cis que en los trans, aunque ahí será fundamental el material del espejo y su limpieza.

Estos factores son menores que 1, y son función de elementos ajenos a la invención, pero se pueden caracterizar por valores representativos, como 0,88 para el valor del coseno, y 0,93 para la reflectividad. Para conseguir la concentración se cuenta con la capacidad óptico-geométrica de la invención, de proyectar sobre un espacio pequeño, que es la anchura de la superficie activa del receptor, una superficie reflectiva amplia, que es la longitud transversal de todo el campo de espejos que le corresponde. En las figuras 8 y 9 esta longitud L (117) está representada por la distancia entre los puntos (88) y (89), que son los centros de los espejos más cercano y más alejado. Por supuesto que entre espejos consecutivos hay discontinuidad, pero asimismo se han descontado dos semiespejos, del primero y el último. Más aún, de modo aproximado se puede suponer que el espejo más cercano comienza en la abscisa 0 de ese sistema general de coordenadas del campo, y el campo de espejos acaba a la distancia L (117), que está relacionada con la distancia máxima del espejo más lejano al centro del receptor, que es Dmax (116) y la cual da lugar a la anchura de la cara activa del receptor, R

R = 0,01\cdotDmax

Si se llama Aelev (115) al ángulo que forma la recta que va desde el centro del último espejo al centro del receptor, se tienen las propiedades elementales

L = Dmax\cdotcos Aelev

H = Dmax\cdotsen Aelev

Siendo H (118) la altura a la que está el centro del receptor.

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Como conjunto representativo de datos para una central de potencia se puede escoger

Dmax = 100 m

R = 1 m

H = 50 m, lo cual equivale a fijar Aelev en 30º, por lo que

L = 86,6 m

L/R = 86,6

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Y el factor bruto de concentración, f, sería

f = 86,6\cdot0,88\cdot0,93 = 70,9

que es un valor incluso excesivo para la finalidad buscada.

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Una de las mayores limitaciones puede estar en la altura de los báculos del receptor, y otra en el ángulo Aelev, que no puede ser demasiado bajo. Si se toma como ejemplo alternativo

H = 30 m

Aelev = 45º

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Se obtiene

L = 30 m

Dmax = 42,5 m

R = 0,425 m

L/R = 70,7

f = 70,7\cdot0,88\cdot0,93 = 57,87

que parece un factor de concentración suficiente para poder competir con los colectores cilindro-parabólicos convencionales, y da idea clara de que la materialización de la invención no sólo es factible, sino que comporta importantes ventajas técnicas y económicas en la explotación de la energía solar térmica.

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Aunque los espejos se han definido de sección recta correspondiente a un arco circular, su curvatura es muy exigua, por ser muy largo su radio en relación con la anchura del espejo. Eso induce la posibilidad, representada en la figura 10, de construir materialmente el arco del espejo como una poligonal, inscrita o circunscrita al arco, lo cual haría que el espejo fuera compuesto de piezas planas yuxtapuestas, apoyadas en un soporte longitudinal (113) adecuado, que son las propias cuadernas transversales que salen del semi-eje (114) de giro del espejo, que es solidario al eje (14) de apoyo en los cojinetes (15) que a su vez se apoyan en los pilares bajos. Así pues, el espejo se construye por yuxtaposición de piezas planas preferentemente iguales, de anchura S, siendo esta anchura la del segmento que existe entre los puntos (111) y (112) de intersección, con el arco original del espejo (31), de los radios delimitadores (105) y (108) de un módulo poligonal, que tiene como centro el mismo centro (20) del arco original del espejo (31), correspondiendo cada módulo a una apertura angular, en el centro del círculo (20), igual a la apertura total angular (106) con la que se cubre todo el espejo original (31) dividida por el número de módulos poligonales con que se construye el espejo, lo que proporciona la apertura angular de un módulo (107), que aplicado a uno de los extremos del espejo original identifica los mencionados radios delimitadores (105 y 108) del primer módulo poligonal, identificándose también la bisectriz (109) de dicho ángulo de apertura de ese modulo, a la cual es perpendicular el segmento de espejo que hay entre los puntos de intersección (111) y (112) de los rayos extremos con el sector circular, seleccionado dicho segmento entre el segmento inscrito o circunscrito, aplicándose consecutivamente esta selección a los módulos consecutivos adyacentes, hasta cubrir la totalidad de la apertura angular del espejo.

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 (5)

1. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos (7) y receptor (1) longitudinales, basado en un conjunto de espejos (7) ligeramente cóncavos, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura, que son giratorios alrededor de su eje de simetría longitudinal (14), que a su vez es el eje que sirve de apoyo en unos cojinetes, que asientan sobre los pilares (9) que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, orientándose por giro cada espejo para reflejar la radiación hacia un receptor solar (1) de carácter longitudinal paralepipédico, ubicado su eje de simetría longitudinal a una altura H sobre la altura del eje del espejo (5) más cercano al receptor (1), merced a unos báculos o pilares (8) que lo soportan, con una cara activa (2) que es por donde recibe la radiación (6) reflejada por los espejos (7), teniendo la superficie activa (2) una anchura transversal R; conteniendo el receptor (1) unos elementos interiores (19) que absorben la radiación solar, siendo dicho receptor (1) de geometría longitudinal, y su longitud mayor paralela a los ejes longitudinales (14) de los espejos, y teniendo un ángulo de inclinación transversal (90) respecto de la horizontal, habiendo un último espejo (32) que es el mas alejado del receptor, pudiéndose montar dos campos de espejos simétricamente respecto de dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo, particularmente en los montajes en los cuales los ejes longitudinales siguen el meridiano local, y montándose tanto al norte como al sur del receptor en los casos en que los ejes longitudinales de los espejos son paralelos al paralelo astronómico local, en cuyos montajes también se pueden ubicar dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo; expresándose las posiciones y ángulos en un sistema de coordenadas en el plano de trabajo empleado, que es un plano perpendicular a los ejes longitudinales, y que por tanto corta transversal y perpendicularmente al receptor y a los espejos, proyectándose sobre dicho plano de trabajo la posición del sol según los datos astronómicos, y siendo el eje de ordenadas del sistema de coordenadas en el plano de trabajo la recta vertical (10) que pasa por el punto central o medio (3) del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1) en el plano de trabajo, y siendo el eje de abscisas (11) la recta horizontal que pasa por el punto central (88) del segmento que, en el plano de trabajo, representa al espejo (5) más cercano al receptor (1); seleccionando el valor del ángulo agudo (115) que forma con la horizontal la recta que une el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1) en un margen de valores entre 10º y 80º, con un valor de referencia de 45º; y quedando determinada la inclinación de la cara activa (2) del receptor (1) porque el segmento que marca dicha superficie en el plano de trabajo es perpendicular a la bisectriz del campo (91), siendo dicha bisectriz la del ángulo formado con las rectas que van, respectivamente, desde el punto central de la cara activa del receptor (3) al punto central (88) del espejo más cercano (5), y al punto central (89) del espejo más lejano (32), caracterizado por que la anchura transversal de la superficie o cara activa (2) del receptor (1) es el 1% de la distancia en línea recta existente entre el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1); y los espejos (7) están compuestos de dos partes diferenciadas, a cada lado del punto central (35) de cada espejo (7), siendo ambas partes de concavidad circular, pero con diferentes radios de curvatura, seleccionados éstos en un margen de valores entre el doble de la distancia que hay desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), y ese valor incrementado en un 20%; siendo la pendiente del espejo nula en su punto central, medida en el sistema de coordenadas intrínseco de cada espejo, en el cual el eje de ordenadas es la normal en el punto central (35), y en la posición de referencia del espejo coincide con la recta que une dicho punto central (35) con el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1); y en cada uno de los espejos, su punto central (35) de la superficie especular coincide, en esa sección, con el eje de sujeción longitudinal alrededor del cual es girado el espejo en cuestión.

2. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según reivindicación anterior, caracterizado por que la anchura específica de cada espejo se determina en función de un valor P, que se fija por diseño, siendo este valor P el cociente entre la máxima deriva de rayos que se admite en los espejos, y el valor de la anchura R de la superficie activa (2) del receptor (1); identificándose, para el espejo en cuestión, el ángulo Agm, que en los montajes según el meridiano es la mitad del mayor ángulo de los dos siguientes:

-

el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares, en el orto efectivo, sobre el punto central del espe- jo;

-

el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares, en el ocaso efectivo, sobre el punto central del espejo;

y en los montajes según el paralelo es dicho ángulo Agm la mitad del que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que desde el punto central del espejo tiene un ángulo de situación sobre el eje positivo de abscisas igual a la suma del ángulo complementario de la latitud más 20º, sin poder exceder este ángulo de situación de 90º;

siendo la anchura E del espejo en cuestión la dada por la ecuación

E = 2 \cdot P \cdot R/(1 - cosAgm)

3. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en el montaje según el meridiano, el radio de curvatura, RCn, de un espejo (7) queda establecido por

RCn = 2 \cdot D/ (cos\ ((90^{o} - Aer)/2))

siendo D la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), y Aer el ángulo de situación de la recta que une el punto central (35) del espejo (7) en cuestión con el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), respecto del eje positivo de abscisas del sistema general de coordenadas, que es paralelo a la horizontal del lugar.

4. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en el montaje según el paralelo, se define el ángulo Acf como la suma del valor del ángulo complementario de la latitud del lugar más un valor seleccionado entre 1º y 23º, tomándose 20º como valor de referencia del sumando, sin poder exceder de 90º el valor de Acf; siendo Aer el ángulo de situación de la recta que une el punto central del espejo con el punto central del receptor, respecto del eje positivo de abscisas del sistema general de coordenadas, y siendo D la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) en cuestión al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), estableciéndose el radio de curvatura en los montajes según el paralelo, RCnp, en el valor

RCnp = 2 \cdot D/ (cos ((Acf – Aer)/2))

5. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el giro dado a cada uno de los espejos (7), para su enfoque al sol en cada momento, se define porque la normal (77) al espejo (7) en su punto central (35) coincide con la bisectriz (45) del ángulo formado, en el plano de trabajo, por la proyección en ese plano del rayo central (43) del haz solar incidente en ese punto central (35), y la recta que va desde este punto (35) hasta el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), ya definida en ese plano; y coincidiendo dicho punto central (35) de la superficie especular con el eje longitudinal de giro del espejo.