ES2362912B1 - SOLAR CONCENTRATOR BY REFLECTION. - Google Patents
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Abstract
Concentrador solar por reflexión, del tipo de los que transmiten la radiación sobre un receptor (3) situado en su lado posterior, que comprende una pluralidad de espejos (2) alargados soportados mediante una estructura lateral (4), dichos espejos (2) dispuestos de forma espaciada a lo largo de la misma con sus superficies longitudinales enfrentadas, donde cada uno de los espejos (2) presenta un perfil transversal (2a) con un ángulo de inclinación {be}{sub,i} predeterminado y comprende un eje longitudinal de rotación (5) configurado para variar dicho ángulo {beta}{sub,i}, donde todos los ejes longitudinales de rotación (5) son paralelos y se encuentran configurados para recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8) y proporcionar a todos los espejos (2) el mismo desplazamiento angular d{be}{sub,i} para que focalicen la radiación sobre el receptor (3), manteniendo dicho receptor (3) y la estructura lateral (4) en posición estática.Reflection solar concentrator, of the type that transmits radiation on a receiver (3) located on its rear side, comprising a plurality of elongated mirrors (2) supported by a lateral structure (4), said mirrors (2) arranged spaced along it with its longitudinal surfaces facing each other, where each of the mirrors (2) has a transverse profile (2a) with a predetermined inclination angle {be} {sub, i} and comprises a longitudinal axis of rotation (5) configured to vary said angle {beta} {sub, i}, where all the longitudinal axes of rotation (5) are parallel and are configured to receive the movement of solar tracking means (6) governed by a single actuator (8) and provide all mirrors (2) with the same angular displacement d {be} {sub, i} to focus radiation on the receiver (3), maintaining said receiver (3) and lateral structure (4) in est position Attica.
Description
Concentrador solar por reflexión. Solar concentrator by reflection.
Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un concentrador solar por reflexión para aprovechamiento energético de la radiación solar, especialmente diseñado para facilitar su integración arquitectónica tanto en fachadas como en cubiertas de cualquier geometría. The present invention refers to a solar concentrator by reflection for energy use of solar radiation, specially designed to facilitate its architectural integration both on facades and on roofs of any geometry.
Antecedentes de la invención Background of the invention
En la actualidad los concentradores solares prácticamente limitan su uso en instalaciones o superficies de grandes dimensiones mediante el empleo de dispositivos de tamaño considerable, como por ejemplo: sistemas de generador de torre central, concentradores cilindro-parabólicos para generación de potencia, concentradores disco-parabólicos con motor Stirling o los grandes seguidores en dos ejes que soportan lentes de Fresnel en combinación con células fotovoltaicas multicapa con o sin concentrador secundario, entre otros. At present, solar concentrators practically limit their use in large-scale installations or surfaces through the use of devices of considerable size, such as: central tower generator systems, parabolic trough for power generation, parabolic trough concentrators with Stirling engine or large two-axis followers that support Fresnel lenses in combination with multilayer photovoltaic cells with or without secondary concentrator, among others.
En efecto, la integración arquitectónica requiere de sistemas de aprovechamiento energético de tamaños reducidos, altamente fiables y compactos, que a su vez se integren de forma natural en el edificio conservando su armonía. En este sentido, los paneles fotovoltaicos planos de carácter estático han sido uno de los sistemas más utilizados en este campo hasta el momento, a pesar de su elevado coste. Indeed, architectural integration requires energy-efficient systems of small, highly reliable and compact sizes, which in turn are naturally integrated into the building while retaining its harmony. In this sense, flat photovoltaic panels of a static nature have been one of the most used systems in this field so far, despite their high cost.
En el ámbito de los concentradores para integración arquitectónica, suelen emplearse concentradores estáticos cuando se tienen ratios de concentración C inferiores a 2.5 soles y concentradores con seguimiento solar de un solo eje hasta ratios de concentración C de 100 soles, límite a partir del cual resulta conveniente el empleo de dos ejes de seguimiento que implican un mayor coste y tamaño. Resulta de especial interés para su aplicación arquitectónica la gama de concentradores con ratios de concentración C entre 2.5 soles y 20 soles debido a su buena relación coste-efectividad y adecuado tamaño de los mismos, aspectos que resultan más favorables cuando éstos se acercan al límite de 20 soles. Dentro del rango de concentraciones mencionado, una de las configuraciones que ofrecen una mayor versatilidad son los sistemas de Fresnel por reflexión, tipología a la que pertenecen un gran número distinto de concentradores. Estos sistemas utilizan espejos para dirigir la radiación solar hacia un receptor o absorbedor que recibe y aprovecha dicha energía. In the field of concentrators for architectural integration, static concentrators are usually used when there are concentration ratios C below 2.5 soles and concentrators with single-axis solar tracking up to concentration ratios C of 100 soles, the limit from which it is convenient the use of two axes of follow-up that imply a greater cost and size. It is of special interest for its architectural application the range of concentrators with concentration ratios C between 2.5 soles and 20 soles due to their good cost-effectiveness and adequate size, aspects that are more favorable when they approach the limit of 20 soles Within the aforementioned concentration range, one of the configurations that offer the greatest versatility are the Fresnel systems by reflection, a typology to which a large number of different concentrators belong. These systems use mirrors to direct the solar radiation towards a receiver or absorber that receives and uses this energy.
Un primer grupo dentro de estos sistemas son los denominados CLFR, Compact Linear Fresnel Reflector, donde el receptor se encuentra en posición estática, mientras que el seguimiento lo realizan los espejos. Dicho receptor se encuentra posicionado a una determinada distancia en el lado frontal del concentrador, es decir la radiación incide sobre los espejos, se refleja en los mismos y retrocede hacia el receptor. Este aspecto dificulta notablemente su integración arquitectónica y limita la misma exclusivamente a su empleo en cubiertas. En concreto, la orientación exterior del receptor impide su aplicación en fachadas tanto por los sobreesfuerzos causados sobre la estructura como por cuestiones estéticas, además de que no facilita en modo alguno el montaje de las instalaciones que aprovechan térmica A first group within these systems are the so-called CLFR, Compact Linear Fresnel Re fl ector, where the receiver is in a static position, while the mirrors are tracked. Said receiver is positioned at a certain distance on the front side of the concentrator, that is, the radiation strikes the mirrors, re fl ects on them and moves back towards the receiver. This aspect significantly hinders its architectural integration and limits it exclusively to its use on roofs. Specifically, the exterior orientation of the receiver prevents its application on facades both due to overstress caused by the structure and aesthetic issues, in addition to not facilitating in any way the installation of thermally exploiting facilities
o eléctricamente la energía absorbida, las cuales quedarían suspendidas de la fachada de un modo visible. or electrically absorbed energy, which would be suspended from the facade in a visible way.
Un segundo grupo lo constituyen los denominados SAC, Slat Array Concentrator, un ejemplo de los cuales se puede apreciar en el documento US2002/0075579A1. En dicho documento se puede apreciar un concentrador con unos espejos alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral. Estos espejos se disponen a cierta distancia entre ellos a lo largo de dicha estructura con sus superficies longitudinales enfrentadas. Cada uno de ellos presenta un perfil transversal con inclinación predeterminada de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos se focaliza sobre el receptor. A diferencia del grupo comentado anteriormente, en este caso el receptor no se encuentra en el lado frontal del concentrador sino en su lado posterior, a una determinada distancia, de modo que la radiación incide sobre los espejos, se refleja sobre los mismos y avanza hacia el receptor. En concreto, el receptor es solidario a la estructura lateral que soporta los espejos, la cual se prolonga mediante unos brazos laterales que conectan con un eje general de rotación paralelo a los espejos sobre el cual se encuentra dispuesto el receptor. El seguimiento solar se lleva a cabo rotando dicho eje, lo que provoca el giro de todo el concentrador. Este aspecto constituye una limitación importante para su integración arquitectónica y hace prácticamente inviable su aplicación en fachadas. A second group is the so-called SAC, Slat Array Concentrator, an example of which can be seen in document US2002 / 0075579A1. In this document a concentrator with elongated mirrors whose longitudinal ends are supported by a lateral structure can be seen. These mirrors are arranged at a distance between them along said structure with their longitudinal surfaces facing each other. Each of them has a transverse profile with predetermined inclination so that the solar radiation reflected by all the mirrors is focused on the receiver. Unlike the group discussed above, in this case the receiver is not on the front side of the concentrator but on its back side, at a certain distance, so that the radiation hits the mirrors, reflects on them and moves towards them. the receptor. Specifically, the receiver is integral to the lateral structure that supports the mirrors, which is extended by lateral arms that connect with a general axis of rotation parallel to the mirrors on which the receiver is arranged. Solar tracking is carried out by rotating said axis, which causes the entire concentrator to rotate. This aspect constitutes an important limitation for its architectural integration and makes its application in facades practically unfeasible.
La presente invención consiste en un concentrador solar por reflexión de tipo Fresnel especialmente diseñado para facilitar su integración arquitectónica tanto en fachadas como en cubiertas, gracias a una compacta configuración del mismo, a una gran flexibilidad de montaje y disposición de sus componentes principales y a un sencillo sistema de seguimiento solar en un solo eje. The present invention consists of a Fresnel-type solar reflector concentrator specially designed to facilitate its architectural integration both on facades and on roofs, thanks to a compact configuration of the same, a great flexibility of assembly and arrangement of its main components and a simple single track solar tracking system.
Descripción de la invención Description of the invention
Para resolver los problemas expuestos anteriormente, el concentrador solar por reflexión de la presente invención es del tipo de los que transmiten la radiación sobre un receptor de anchura d situado en el lado posterior (respecto la posición del sol) del concentrador. En configuraciones verticales se entiende como lado posterior del concentrador aquél que se encuentra más cercano a la fachada o paramento vertical, mientras que en configuraciones horizontales el lado posterior es aquél que se encuentra por debajo del concentrador. To solve the problems set forth above, the solar concentrator by reflection of the present invention is of the type that transmits the radiation on a receiver of width d located on the rear side (with respect to the sun's position) of the concentrator. In vertical configurations, the rear side of the concentrator is understood to be the one that is closest to the facade or vertical wall, while in horizontal configurations the rear side is the one that is below the concentrator.
Dicho concentrador comprende una pluralidad de espejos alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral que puede adoptar cualquier tipo de configuración, lineal, curvada o una combinación de ambas, capaz de adaptarse a las exigencias arquitectónicas de cualquier tipo de cubierta o fachada. Los espejos se disponen de forma espaciada con una separación dm entre ellos a lo largo de la estructura lateral y con sus superficies longitudinales enfrentadas. Preferentemente, toda la superficie longitudinal de los espejos es reflectante, es decir, ambas caras del espejo permiten reflejar la radiación. Si bien esta característica es recomendable, no siempre es imprescindible, dado que algunas configuraciones del concentrador de la presente invención pueden funcionar con espejos con una sola cara reflectante. Cada uno de los espejos presenta un perfil transversal de anchura lm con un ángulo de inclinación βi predeterminado de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos se focaliza sobre el receptor. Preferentemente se emplean perfiles transversales planos, si bien también pudieran utilizarse otras geometrías como por ejemplo cóncavas, entre otras. Said concentrator comprises a plurality of elongated mirrors whose longitudinal ends are supported by a lateral structure that can adopt any type of con fi guration, linear, curved or a combination of both, capable of adapting to the architectural requirements of any type of roof or facade. The mirrors are spaced apart with a dm gap between them along the side structure and with their longitudinal surfaces facing each other. Preferably, the entire longitudinal surface of the mirrors is reflective, that is, both sides of the mirror allow the radiation to be re fl ected. While this feature is recommended, it is not always essential, given that some configurations of the concentrator of the present invention can work with mirrors with only one reflective face. Each of the mirrors has a transverse profile of width lm with a predetermined angle of inclination βi so that the solar radiation reflected by all the mirrors is focused on the receiver. Preferably flat transverse profiles are used, although other geometries such as concave, among others, could also be used.
Cada uno de los espejos comprende un eje longitudinal de rotación configurado para variar su ángulo de inclinación βi. Todos los ejes longitudinales de rotación son paralelos entre ellos y se encuentran configurados para: Each of the mirrors comprises a longitudinal axis of rotation set to vary its angle of inclination βi. All longitudinal axes of rotation are parallel to each other and are set to:
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar gobernados por un único actuador; y receive the movement of solar tracking means governed by a single actuator; Y
- --
- proporcionar a todos los espejos el mismo desplazamiento angular dβi para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor, manteniendo tanto dicho receptor como la estructura lateral en posición estática. provide all mirrors with the same angular displacement dβi so that they focus the radiation on the receiver, keeping both said receiver and the lateral structure in static position.
Preferentemente el receptor constituye un elemento independiente respecto a la estructura lateral de soporte de los espejos. Ello permite instalar el receptor directamente sobre la fachada o la cubierta, junto a las instalaciones necesarias para el aprovechamiento energético de la radiación solar, en la zona más idónea tanto funcional como estética. No obstante, también se contempla el caso de que el receptor y los espejos compartan la misma estructura, al igual que las instalaciones de aprovechamiento energético, dando lugar a una fachada o cubierta técnica independiente de la fachada o cubierta del edificio. Preferably the receiver constitutes an independent element with respect to the lateral support structure of the mirrors. This allows the receiver to be installed directly on the façade or the roof, together with the facilities necessary for the energy use of solar radiation, in the most suitable area both functional and aesthetic. However, the case is also contemplated that the receiver and the mirrors share the same structure, as do the facilities for energy use, giving rise to a facade or technical roof independent of the facade or roof of the building.
Preferentemente los medios de seguimiento solar comprenden uno o más elementos mecánicos de transmisión integrados en la estructura lateral, tales como ejes de transmisión, vástagos, barras o bielas, entre otros funcionalmente equivalentes. Estos elementos reciben el movimiento del actuador, preferentemente lineal, y lo transmiten de forma simultánea a cada uno de los ejes longitudinales de rotación. Dichos medios de seguimiento solar pueden recibir las señales de uno o más sensores lumínicos instalados en la fachada o cubierta para llevar el seguimiento solar de forma automática. Preferably, the solar tracking means comprise one or more mechanical transmission elements integrated in the lateral structure, such as transmission shafts, stems, rods or connecting rods, among others functionally equivalent. These elements receive the actuator movement, preferably linear, and transmit it simultaneously to each of the longitudinal axes of rotation. Said solar tracking means can receive the signals of one or more light sensors installed in the facade or cover to carry the solar tracking automatically.
Atendiendo a las características geométricas de los espejos y separación entre los mismos, la presente invención contempla cuatro configuraciones preferentes, no limitativas de la misma, que se relacionan mediante los siguientes sistemas de configuración. In view of the geometric characteristics of the mirrors and separation between them, the present invention contemplates four preferred configurations, not limiting thereof, which are related by the following configuration systems.
Sistema base (BS): la anchura lm de los espejos es constante y la separación entre espejos es igual a la mitad de la anchura d del receptor. Base system (BS): the width lm of the mirrors is constant and the separation between mirrors is equal to half the width d of the receiver.
Sistema con separación de espejos variable (VPS): la anchura lm de los espejos es constante, mientras que la separación dm entre espejos es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia θs igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor. System with variable mirror separation (VPS): the width lm of the mirrors is constant, while the separation dm between mirrors is variable and predetermined so that, in front of a solar radiation with an angle of incidence θs equal to 0º, all the light is reflected on the receiver.
Sistema con anchura de espejos variable (VWS): la separación dm entre espejos es constante, mientras que la anchura lm de los espejos es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia θs igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor. System with variable width of mirrors (VWS): the separation dm between mirrors is constant, while the width lm of the mirrors is variable and predetermined so that, before a solar radiation with an angle of incidence θs equal to 0º, all the light is reflected on the receiver.
Sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS): tanto la anchura lm de los espejos como la separación dm entre ellos es variable y se predeterminan individualmente para cada espejo para maximizar la transmisión de luz al receptor. System with variable width and separation of mirrors (VPWS): both the width lm of the mirrors and the separation dm between them is variable and are predetermined individually for each mirror to maximize the transmission of light to the receiver.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con varias realizaciones de la invención que se presentan como ejemplos no limitativos de la misma. A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to various embodiments of the invention that are presented as non-limiting examples thereof are described below very briefly.
La figura 1 es un primer ejemplo de montaje del concentrador de la presente invención integrado de forma vertical en una fachada. Figure 1 is a first example of assembling the concentrator of the present invention vertically integrated in a facade.
La figura 2 es un segundo ejemplo de montaje del concentrador de la presente invención integrado de forma horizontal en una fachada. Figure 2 is a second example of mounting the concentrator of the present invention integrated horizontally in a facade.
La figura 3 es una representación esquemática del perfil del concentrador según una configuración lineal del mismo, mostrando los medios de seguimiento solar. Figure 3 is a schematic representation of the concentrator profile according to a linear configuration of the concentrator, showing the solar tracking means.
La figura 4 es una representación esquemática del perfil del concentrador según una configuración curvada del mismo, sin mostrar los medios de seguimiento solar. Figure 4 is a schematic representation of the concentrator profile according to a curved configuration thereof, without showing the solar tracking means.
La figura 5 es una representación esquemática de los parámetros utilizados en el modelo matemático. Figure 5 is a schematic representation of the parameters used in the mathematical model.
La figura 6 es una representación esquemática de los efectos de sombreo y bloqueo. Figure 6 is a schematic representation of the effects of shading and blocking.
Las figuras 7A(a) y 7B(a) son representaciones esquemáticas del sistema base (BS). Figures 7A (a) and 7B (a) are schematic representations of the base system (BS).
Las figuras 7A(b) y 7B(b) son representaciones esquemáticas del sistema con separación de espejos variable (VPS). Figures 7A (b) and 7B (b) are schematic representations of the system with variable mirror separation (VPS).
Las figuras 7A(c) y 7B(c) son representaciones esquemáticas del sistema con anchura de espejos variable (VWS). Figures 7A (c) and 7B (c) are schematic representations of the system with variable mirror width (VWS).
Las figuras 7A(d) y 7B(d) son representaciones esquemáticas del sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS). Figures 7A (d) and 7B (d) are schematic representations of the system with variable width and mirror separation (VPWS).
La figura 8 es una gráfica de la eficiencia de cada sistema en función del ángulo de incidencia θs. Figure 8 is a graph of the efficiency of each system as a function of the angle of incidence θs.
La figura 9 es un diagrama de puntos para los espejos del sistema base optimizado (OBS) para un ángulo de incidencia θs igual a 40º. Figure 9 is a point diagram for mirrors of the optimized base system (OBS) for an angle of incidence θs equal to 40 °.
La figura 10 es una gráfica de la eficiencia del sistema base optimizado (OBS) en función de la posición de los espejos y para diferentes ángulos de incidencia solar. Figure 10 is a graph of the efficiency of the optimized base system (OBS) depending on the position of the mirrors and for different angles of solar incidence.
La figura 11 es una gráfica de la eficiencia de cada uno de los espejos del sistema base optimizado (OBS) en función del ángulo de incidencia solar. Figure 11 is a graph of the efficiency of each of the mirrors of the optimized base system (OBS) as a function of the angle of solar incidence.
La figura 12 muestra los patrones de potencia recibida sobre el receptor para distintos ángulos de incidencia θs,de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). Figure 12 shows the patterns of power received on the receiver for different angles of incidence θs, according to the optimized base system (OBS).
La figura 13a muestra una simulación de la potencia recibida por el receptor por unidad de superficie para un ángulo de incidencia solar de 0º, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). Figure 13a shows a simulation of the power received by the receiver per surface unit for a solar incidence angle of 0 °, according to the optimized base system (OBS).
La figura 13b muestra una simulación de la potencia recibida por el receptor por unidad de superficie para un ángulo de incidencia solar de 45º, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). Figure 13b shows a simulation of the power received by the receiver per surface unit for a solar incidence angle of 45 °, according to the optimized base system (OBS).
La figura 14 es una gráfica de la concentración media y máxima del sistema base (BS) para diferentes ángulos de incidencia solar. Figure 14 is a graph of the average and maximum concentration of the base system (BS) for different angles of solar incidence.
Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention
La figura 1 muestra un primer ejemplo de montaje del concentrador (1) integrado de forma vertical en una fachada. Como se puede apreciar el concentrador (1) comprende una pluralidad de espejos (2) alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral (4). Dichos espejos (2) reflejan la radiación solar sobre un receptor (3) situado en el lado posterior del concentrador (1). Asimismo, el receptor (3) de este ejemplo se encuentra instalado directamente sobre la fachada, constituyendo un elemento independiente respecto a la estructura lateral (4). El montaje del concentrador (1) de la presente invención presenta una gran flexibilidad, con la finalidad de adaptarse fácilmente a todo tipo de fachadas. En este sentido, para cubrir una determinada fachada se pueden emplear uno o más concentradores (1), cuantos sean necesarios, con su correspondiente receptor (3). Preferentemente, siempre que sea posible y con la finalidad de aprovechar al máximo las ventajas de la presente invención, todos ellos compartirán la misma estructura lateral (4) y los mismos medios de seguimiento solar (6), de forma que sean gobernados por el mismo actuador (8). No obstante, dado la gran diversidad de formas que pueden adoptar las fachadas, en muchas ocasiones resultará necesario disponer de varios concentradores (1), cada uno de ellos con su correspondiente estructura lateral (4) y con sus correspondientes medios de seguimiento solar (6). Figure 1 shows a first example of mounting the concentrator (1) vertically integrated in a facade. As can be seen, the concentrator (1) comprises a plurality of elongated mirrors (2) whose longitudinal ends are supported by a lateral structure (4). Said mirrors (2) reflect the solar radiation on a receiver (3) located on the rear side of the concentrator (1). Likewise, the receiver (3) of this example is installed directly on the facade, constituting an independent element with respect to the lateral structure (4). The assembly of the concentrator (1) of the present invention has great flexibility, in order to easily adapt to all types of facades. In this sense, to cover a certain facade one or more concentrators (1), as many as necessary, can be used with their corresponding receiver (3). Preferably, whenever possible and in order to take full advantage of the advantages of the present invention, they will all share the same lateral structure (4) and the same solar tracking means (6), so that they are governed by the same actuator (8). However, given the great diversity of forms that the facades can take, in many cases it will be necessary to have several concentrators (1), each with its corresponding lateral structure (4) and with its corresponding solar tracking means (6 ).
La figura 2 muestra un segundo ejemplo de montaje del concentrador (1) integrado de forma horizontal en una fachada. En esta ocasión se puede apreciar que uno o más concentradores (1) se integran en la fachada a modo de parasol con su correspondiente receptor (3) situado debajo del mismo. Figure 2 shows a second example of mounting the concentrator (1) integrated horizontally in a facade. On this occasion it can be seen that one or more concentrators (1) are integrated into the facade as a sun visor with its corresponding receiver (3) located below it.
La figura 3 muestra una representación esquemática del perfil del concentrador (1) según una configuración lineal del mismo, donde se pueden apreciar los medios de seguimiento solar (6) y el perfil transversal (2a) de cada espejo (2). Como se puede apreciar, cada uno de los espejos (2) comprende un eje longitudinal de rotación (5) configurado para variar su ángulo de inclinación βi. Todos los ejes longitudinales de rotación (5) son paralelos entre ellos, y particularmente en este ejemplo, también son coplanares, lo que hace todavía más sencillo el sistema de seguimiento solar. Dichos ejes longitudinales de rotación (5) se encuentran configurados para: Figure 3 shows a schematic representation of the profile of the concentrator (1) according to a linear configuration thereof, where the solar tracking means (6) and the transverse profile (2a) of each mirror (2) can be seen. As can be seen, each of the mirrors (2) comprises a longitudinal axis of rotation (5) configured to vary its angle of inclination βi. All longitudinal axes of rotation (5) are parallel to each other, and particularly in this example, they are also coplanar, which makes the solar tracking system even easier. Said longitudinal axes of rotation (5) are configured to:
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8); y receive the movement of solar tracking means (6) governed by a single actuator (8); Y
- --
- proporcionar a todos los espejos (2) el mismo desplazamiento angular dβi para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor (3), manteniendo tanto dicho receptor (3) como la estructura lateral (4) en posición estática. provide all mirrors (2) with the same angular displacement dβi so that they focus radiation on the receiver (3), keeping both said receiver (3) and the lateral structure (4) in static position.
Los medios de seguimiento solar (6) comprenden elementos mecánicos de transmisión (7) integrados en la estructura lateral (4) que reciben el movimiento del actuador (8), de tipo lineal, y lo transmiten de forma simultánea a cada uno de los ejes longitudinales de rotación (5). The solar tracking means (6) comprise mechanical transmission elements (7) integrated in the lateral structure (4) that receive the actuator movement (8), of linear type, and transmit it simultaneously to each of the axes Longitudinal rotation (5).
La figura 4 muestra una representación esquemática del perfil del concentrador (1) según una configuración curvada del mismo, sin mostrar los medios de seguimiento solar (6). Figure 4 shows a schematic representation of the concentrator profile (1) according to a curved configuration thereof, without showing the solar tracking means (6).
La figura 5 muestra una representación esquemática de los parámetros utilizados en el modelo matemático. En ella se puede apreciar que el concentrador (1) está formado por un número de espejos (2) igual a N, donde el índice i indica el número de espejo. Los espejos (2) se disponen de forma espaciada con una separación dm entre ellos y con sus superficies longitudinales enfrentadas. El perfil transversal (2a) de cada espejo (2) presenta una anchura lm yun ángulo de inclinación βi predeterminado de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos (2) se focaliza sobre el receptor (3). Figure 5 shows a schematic representation of the parameters used in the mathematical model. In it it can be seen that the concentrator (1) is formed by a number of mirrors (2) equal to N, where the index i indicates the mirror number. The mirrors (2) are arranged spaced apart with a dm gap between them and with their longitudinal surfaces facing each other. The transverse profile (2a) of each mirror (2) has a width lm and a predetermined angle of inclination βi so that the solar radiation reflected by all the mirrors (2) is focused on the receiver (3).
En los casos estudiados se ha considerado un número de espejos Nimpar, por lo que existe un espejo central con un índice i=1+(N-1)/2. Para las configuraciones analizadas se establece el origen de coordenadas Odel sistema sobre el centro de rotación del espejo central. Asimismo se establece que todos los ejes longitudinales de rotación (5) son paralelos al eje Z y coplanares respecto al plano XZ. El dispositivo receptor (3), de anchura d, se sitúa en un plano paralelo al plano XZ a una distancia fdel mismo. Definiéndose el parámetro xi como la posición del espejo i-ésimo con respeto al eje de rotación del espejo central, se obtiene que la posición angular del espejo (2) en referencia a su eje longitudinal de rotación (5) es: In the cases studied, a number of Nimpar mirrors has been considered, so there is a central mirror with an index i = 1 + (N-1) / 2. For the con fi gurations analyzed, the origin of Odel coordinates is established on the center of rotation of the central mirror. It is also established that all longitudinal axes of rotation (5) are parallel to the Z axis and coplanar with respect to the XZ plane. The receiving device (3), of width d, is placed in a plane parallel to the XZ plane at a distance f from it. By defining parameter xi as the position of the ith mirror with respect to the axis of rotation of the central mirror, it is obtained that the angular position of the mirror (2) in reference to its longitudinal axis of rotation (5) is:
Sea θs el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre el concentrador (1), el ángulo de inclinación βi que debe adoptar cada espejo (2) para que reflejar la luz sobre el receptor (3) es: Let θs be the angle of incidence of solar radiation on the concentrator (1), the angle of inclination βi that each mirror (2) must adopt to reflect the light on the receiver (3) is:
Del análisis de la expresión anterior se establece que el ángulo de inclinación βi es directamente proporcional al ángulo de incidencia θs y que la derivada parcial de dicha expresión respecto a θs es igual a 1/2. Ello representa que a partir de una posición inicial establecida, los desplazamientos angulares dβi de seguimiento solar son idénticos para todos los espejos (2), lo que permite el empleo de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8). From the analysis of the previous expression it is established that the angle of inclination βi is directly proportional to the angle of incidence θs and that the partial derivative of said expression with respect to θs is equal to 1/2. This represents that from an established initial position, the angular displacements dβi of solar tracking are identical for all mirrors (2), which allows the use of solar tracking means (6) governed by a single actuator (8) .
La figura 6 muestra los dos fenómenos que producen una pérdida de eficiencia en el sistema: el sombreo y el bloqueo. El sombreo se refiere a aquellos rayos que son interceptados por la superficie de un espejo (2) anterior al analizado, mientras que el bloqueo hace referencia a los rayos que son interceptados por una superficie cualquiera después de producirse la reflexión. En ella se puede ver un diagrama que representa la posición de los puntos extremos de los espejos para una configuración determinada. La posición del límite superior del bloqueo (BL) y del límite inferior de sombreo (SL) han sido calculadas para cada espejo (2) mediante un algoritmo geométrico en el que se ha implementado la proyección e intersección de tres líneas en el plano XY; posición del espejo, rayos incidentes extremales y reflejo de los mismos. Figure 6 shows the two phenomena that produce a loss of efficiency in the system: shading and blocking. The shading refers to those rays that are intercepted by the surface of a mirror (2) prior to the one analyzed, while the blockage refers to the rays that are intercepted by any surface after the reflection occurs. In it you can see a diagram that represents the position of the extreme points of the mirrors for a given configuration. The position of the upper limit of the block (BL) and the lower limit of the shade (SL) have been calculated for each mirror (2) by means of a geometric algorithm in which the projection and intersection of three lines in the XY plane has been implemented; position of the mirror, extreme incident rays and their reflection.
Este estudio ha permitido determinar también el tamaño y la posición de la mancha luminosa sobre el receptor (3). Cada una de las bandas luminosas provenientes de cada espejo (2) ha sido afectada por una intensidad (intensidad proyectada Ip) dependiente del ángulo de incidencia θs y de los ángulos de inclinación βi y posición de cada espejo (2). Donde Id es la irradiación directa normal y ρm es la reflectividad especular del espejo (2). Siendo dicha expresión: This study has also allowed to determine the size and position of the light spot on the receiver (3). Each of the light bands from each mirror (2) has been affected by an intensity (projected intensity Ip) depending on the angle of incidence θs and the angles of inclination βi and position of each mirror (2). Where Id is the normal direct irradiation and ρm is the mirror reflectivity of the mirror (2). Being said expression:
El perfil de irradiación producido sobre el receptor (3) por cada espejo (2) se ha calculado mediante el producto de convolución de la función anterior e Is: The irradiation profile produced on the receiver (3) for each mirror (2) has been calculated using the convolution product of the previous function and Is:
Donde Is(x) es la intensidad efectiva con la que el sol irradia al receptor (3): Where Is (x) is the effective intensity with which the sun radiates to the receiver (3):
Y σop es la desviación estándar que representa el conjunto de errores a los cuales se encuentran sujetos los concentradores en situación real; forma solar Gaussiana, imperfecciones especulares, errores de posicionamiento y elevación de los espejos, desplazamientos angulares del receptor y errores de seguimiento solar. La expresión σop es: And σop is the standard deviation that represents the set of errors to which the concentrators in real situation are subject; Gaussian solar form, specular imperfections, errors in positioning and elevation of the mirrors, angular displacements of the receiver and solar tracking errors. The expression σop is:
La figura 7A(a) muestra una representación esquemática del sistema base (BS). Como se puede apreciar en esta configuración la anchura lm de los espejos (2) es constante y la separación entre espejos (2) es igual a la mitad de la anchura d del receptor (3). En la figura 7B(a) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar. Figure 7A (a) shows a schematic representation of the base system (BS). As can be seen in this configuration, the width lm of the mirrors (2) is constant and the separation between mirrors (2) is equal to half of the width d of the receiver (3). In Figure 7B (a) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 7A(b) muestra una representación esquemática del sistema con separación de espejos variable (VPS). Como se puede apreciar en esta configuración la anchura lm de los espejos (2) es constante, mientras que la separación dm entre espejos (2) es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia θs igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor (3). Es decir, ningún rayo solar incidente provoca sombra o pasa directamente entre los espejos (2) sin ser reflejado. Ello significa que el límite de sombreo (SL) se encuentra exactamente en el extremo inferior de cada espejo (2). En la figura 7B(b) se puede apreciar como varían los espejos Figure 7A (b) shows a schematic representation of the system with variable mirror separation (VPS). As can be seen in this configuration, the width lm of the mirrors (2) is constant, while the separation dm between mirrors (2) is variable and predetermined so that, in front of a solar radiation with an angle of incidence θs equal to 0º, all the light is reflected on the receiver (3). That is, no incident sunbeam causes shade or passes directly between the mirrors (2) without being reflected. This means that the shading limit (SL) is exactly at the lower end of each mirror (2). In Figure 7B (b) you can see how the mirrors vary
(2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar. (2) of this con fi guration as solar tracking is carried out.
La figura 7A(c) muestra una representación esquemática del sistema con anchura de espejos variable (VWS). Como se puede apreciar en esta configuración la separación dm entre espejos (2) es constante, mientras que la anchura lm de los espejos (2) es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia θs igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor (3). Es decir, ningún rayo solar incidente provoca sombra o pasa directamente entre los espejos (2) sin ser reflejado. En este caso, ello significa que el límite de bloqueo (BL) se encuentra exactamente en el extremo superior de cada espejo (2). En la figura 7B(c) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar. Figure 7A (c) shows a schematic representation of the system with variable mirror width (VWS). As can be seen in this configuration, the separation dm between mirrors (2) is constant, while the width lm of the mirrors (2) is variable and predetermined so that, in front of a solar radiation with an angle of incidence θs equal to 0º, all the light is reflected on the receiver (3). That is, no incident sunbeam causes shade or passes directly between the mirrors (2) without being reflected. In this case, this means that the blocking limit (BL) is exactly at the upper end of each mirror (2). In Figure 7B (c) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 7A(d) muestra una representación esquemática del sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS). Como se puede apreciar en esta configuración tanto la anchura lm de los espejos (2) como la separación dm entre ellos es variable y se predeterminan individualmente para cada espejo (2) para maximizar la transmisión de luz al receptor (3). En la figura 7B(d) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar. Figure 7A (d) shows a schematic representation of the system with variable width and mirror separation (VPWS). As can be seen in this configuration, both the width lm of the mirrors (2) and the separation dm between them are variable and are predetermined individually for each mirror (2) to maximize the transmission of light to the receiver (3). In Figure 7B (d) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 8 muestra una gráfica de la eficiencia de cada sistema en función del ángulo de incidencia θs. En concreto los sistemas OBS, OVPS y OVPWS corresponden respectivamente a la optimización de los sistemas BS, VPS y VPWS, mientras que el sistema VWS, por su baja eficiencia, se considera el menos viable de todos y no ha sido optimizado. Figure 8 shows a graph of the efficiency of each system as a function of the angle of incidence θs. Specifically, the OBS, OVPS and OVPWS systems correspond respectively to the optimization of the BS, VPS and VPWS systems, while the VWS system, due to its low efficiency, is considered the least viable of all and has not been optimized.
Para realizar la optimización de estos sistemas se ha definido una función objetivo que hace referencia a la eficiencia global diaria ηG, considerándose el cociente entre la energía solar captada QR por el receptor (3) a lo largo de un día de insolación patrón y la energía que llega al plano de apertura QA durante el mismo periodo de tiempo. Se considera un día de insolación patrón de 6 horas, alrededor del mediodía solar con una variación angular de incidencia de -45º hasta 45º y despreciando la radiación difusa y la radiación reflejada. Esta eficiencia difiere de la eficiencia instantánea η que se define como el cociente entre la potencia PR recibida por el receptor (3) y la potencia PA que llega al plano de apertura en un instante determinado. To perform the optimization of these systems, an objective function has been defined that refers to the daily global efficiency ηG, considering the ratio between the solar energy captured by the receiver (3) over a day of standard sunshine and energy which reaches the opening plane QA during the same period of time. It is considered a 6-hour standard sunstroke day, around solar noon with an angular variation of incidence from -45º to 45º and disregarding diffuse radiation and reflected radiation. This efficiency differs from instantaneous efficiency η which is defined as the quotient between the PR power received by the receiver (3) and the PA power that reaches the opening plane at a given time.
Asimismo, se ha incorporado dos nuevas variables con el fin de clarificar en mayor medida las diferencias entre los diferentes sistemas; la relación de espejo Mr y la eficiencia de espejo ηm: Likewise, two new variables have been incorporated in order to clarify to a greater extent the differences between the different systems; The mirror ratio Mr and the mirror efficiency ηm:
Donde Lm es la suma total de las anchuras lm de todos los espejos (2) y Lc es la anchura de la apertura del concentrador (1). Mientras que le es la anchura efectiva del espejo (2), que es la distancia entre el punto extremo de bloqueo y de sombreo. Bajo estas consideraciones se obtiene la siguiente tabla: Where Lm is the total sum of the widths lm of all mirrors (2) and Lc is the width of the opening of the concentrator (1). While it is the effective width of the mirror (2), which is the distance between the extreme point of blocking and shading. Under these considerations the following table is obtained:
El sistema base optimizado (OBS) se ha obtenido desplazando el centro de rotación de todos los espejos 14 cm en sentido positivo del eje Y, según la figura 5, mientras que el sistema con separación de espejos variable optimizado (OVPS) se ha obtenido con un desplazamiento positivo del centro de rotación de todos los espejos 24 cm en dicho eje. El sistema con anchura de espejos variable (VPWS) optimizado se obtiene incrementando 4 veces la anchura d del receptor (3). The optimized base system (OBS) has been obtained by moving the center of rotation of all mirrors 14 cm in a positive direction of the Y axis, according to Figure 5, while the system with optimized variable mirror separation (OVPS) has been obtained with a positive displacement of the center of rotation of all mirrors 24 cm on said axis. The optimized variable width (VPWS) system is obtained by increasing the width d of the receiver 4 times (3).
La figura 9 muestra un diagrama de puntos para los espejos del sistema base optimizado (OBS) para un ángulo de incidencia θs igual a 40º. El diagrama también muestra los puntos donde impactan el último rayo no sombreado y donde emerge el primer rayo bloqueado. Como se puede apreciar ninguno de los 6 primeros espejos transmite la radiación solar debido a los efectos de sombreo y bloqueo. A partir del espejo número 13 se logra una transmisión plena. Figure 9 shows a point diagram for the mirrors of the optimized base system (OBS) for an angle of incidence θs equal to 40 °. The diagram also shows the points where the last unshaded ray hits and where the first blocked ray emerges. As you can see none of the first 6 mirrors transmits solar radiation due to the effects of shading and blocking. From the mirror number 13 a full transmission is achieved.
La figura 10 muestra una gráfica de la eficiencia ηm del sistema base optimizado (OBS) en función de la posición de los espejos (2) y para diferentes ángulos de incidencia θs. Figure 10 shows a graph of the efficiency ηm of the optimized base system (OBS) as a function of the position of the mirrors (2) and for different angles of incidence θs.
La figura 11 muestra una gráfica de la eficiencia ηm de cada uno de los espejos (2) del sistema base optimizado (OBS) en función del ángulo de incidencia θs. Los espejos (2) se numeran de izquierda a derecha, siendo el espejo número 11 el que ocupa la posición central. Figure 11 shows a graph of the efficiency ηm of each of the mirrors (2) of the optimized base system (OBS) as a function of the angle of incidence θs. The mirrors (2) are numbered from left to right, mirror 11 being the one that occupies the central position.
La figura 12 muestra los patrones de potencia recibida sobre el receptor (3) a lo largo de su anchura d para distintos ángulos de incidencia θs, en un concentrador (1) de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). Figure 12 shows the patterns of power received on the receiver (3) along its width d for different angles of incidence θs, in a concentrator (1) according to the optimized base system (OBS).
Las figuras 13a y 13b corresponden una simulación informática de la potencia recibida por el receptor (3) por unidad de superficie para un ángulo de incidencia θs de 0º y 45º respectivamente, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). En ellas se puede apreciar el flujo de potencia recibido por el receptor (3) a lo largo de su anchura d ydesu altura h. Figures 13a and 13b correspond to a computer simulation of the power received by the receiver (3) per unit area for an angle of incidence θs of 0º and 45º respectively, according to the optimized base system (OBS). In them you can see the power fl ow received by the receiver (3) along its width d and its height h.
La figura 14 es una gráfica de la concentración media y máxima del sistema base (BS) para diferentes ángulos de incidencia θs. Figure 14 is a graph of the mean and maximum concentration of the base system (BS) for different angles of incidence θs.
Claims (7)
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8); y receive the movement of solar tracking means (6) governed by a single actuator (8); Y
- --
- proporcionar a todos los espejos (2) el mismo desplazamiento angular dβi para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor (3), manteniendo tanto dicho receptor (3) como la estructura lateral (4) en posición estática. provide all mirrors (2) with the same angular displacement dβi so that they focus radiation on the receiver (3), keeping both said receiver (3) and the lateral structure (4) in static position.
- 3. 3.
- Concentrador solar por reflexión, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 2 caracterizado porque los ejes longitudinales de rotación (5) son coplanares. Solar concentrator by reflection, according to any one of the preceding claims 1 to 2, characterized in that the longitudinal axes of rotation (5) are coplanar.
- 4. Four.
- Concentrador solar por reflexión, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3 caracterizado porque toda la superficie longitudinal de los espejos (2) es reflectante. Solar concentrator by reflection, according to any of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the entire longitudinal surface of the mirrors (2) is reflective.
- 5. 5.
- Concentrador solar por reflexión, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4 caracterizado porque el receptor (3) constituye un elemento independiente respecto a la estructura lateral (4) de soporte de los espejos (2). Solar concentrator by reflection, according to any of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the receiver (3) constitutes an independent element with respect to the lateral support structure (4) of the mirrors (2).
- 6. 6.
- Concentrador solar por reflexión, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5 caracterizado porque los medios de seguimiento solar (6) comprenden uno o más elementos mecánicos (7) de transmisión integrados en la estructura lateral (4) que reciben el movimiento del actuador (8) y lo transmiten de forma simultánea a cada uno de los ejes longitudinales de rotación (5). Solar concentrator by reflection, according to any one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the solar tracking means (6) comprise one or more mechanical transmission elements (7) integrated in the lateral structure (4) that receive the movement of the actuator ( 8) and transmit it simultaneously to each of the longitudinal axes of rotation (5).
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- X X
- US 4220137 A (TESCH ALLEN R et al.) 02.09.1980, 1-6 US 4220137 A (TESCH ALLEN R et al.) 02.09.1980, 1-6
- figuras 1-8; columna 5, líneas 42-61; columna 6, línea 30 – columna 7, línea 50. Figures 1-8; column 5, lines 42-61; column 6, line 30 - column 7, line 50.
- A TO
- US 2002139414 A1 (VASYLYEV SERGIY VICTOROVICH et al.) 03.10.2002, 1-6 US 2002139414 A1 (VASYLYEV SERGIY VICTOROVICH et al.) 03.10.2002, 1-6
- figuras 1-7; párrafos [0022-0036]. Figures 1-7; paragraphs [0022-0036].
- A TO
- US 2007035864 A1 ( VASYLYEV SERGIY V et al.) 15.02.2007, 1-6 US 2007035864 A1 (VASYLYEV SERGIY V et al.) 02.15.2007, 1-6
- figuras 1-6; párrafos [0014-0046]. Figures 1-6; paragraphs [0014-0046].
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 30.06.2011 Date of realization of the report 06.30.2011
- Examinador J. Peces Aguado Página 1/4 Examiner J. Fish Aguado Page 1/4
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO Claims Claims 1-6 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO Claims Claims 1-6 IF NOT
- Documento Document
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- US 4220137 A (TESCH ALLEN R et al.) 02.09.1980 US 4220137 A (TESCH ALLEN R et al.) 02.09.1980
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