ES2366078A1

ES2366078A1 - Módulo de colector solar pretensado.

Info

Publication number: ES2366078A1
Application number: ES201000426A
Authority: ES
Inventors: Félix Muñoz Gilabert
Original assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Current assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-17
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: EP2554924A1; EP2554924A4; US20130220950A1; ES2366078B1; WO2011121153A1; CN102918334B; CN102918334A; US9163860B2; CL2012002721A1

Abstract

Módulo de colector solar pretensado que sirve de estructura soporte para colectores solares, de los formados por una estructura de barras en celosía con una viga en su parte central (1) que cuenta con unas características esenciales como son:- la viga central o torque box (1) es de geometría cilíndrica o poliédrica de múltiples caras, seccionada (3) y con cada una de las secciones (3) formadas a su vez por varias chapas (4) plegadas o curvadas,- cuenta con una estructura de celosía triangular (16) envolvente para soportar la parábola reflectante (17) que está realizada en angulares en "L", con todas las uniones estarán resueltas con remaches,- el conjunto de la estructura se pretensa mediante una serie de tirantes (13, 14, 15) que optimizan el comportamiento de la misma a flexión y cuentan con unos puntos de amarre en los extremos y unos puntos intermedios solo pasantes que permiten que se les dé la curvatura necesaria y logran mantener la tensión.

Description

Módulo de colector solar pretensado.

Sector técnico de la invención

Esta invención se encuadra dentro del sector de los colectores, más concretamente se refiere a las estructuras que se utilizan para la sujeción de los espejos y los receptores encargados de concentrar la radiación solar.

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Antecedentes de la invención

En las plantas de producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar se pueden emplear colectores solares de varios tipos (colector cilindro parabólico, disco Stirling, central de torre con helióstatos, colectores Fresnel, etcétera) y todos ellos requieren estructuras de soporte para los espejos que se encargan de concentrar la radiación solar.

Dichas estructuras, por lo general, poseen además un dispositivo denominado seguidor solar que les permite orientarse en dirección al sol, lo que les conduce a la obtención de altos rendimientos.

La invención que aquí se reivindica hace referencia a la estructura soporte del módulo del colector solar, no siendo objeto de la invención el seguidor solar que luego se le pueda acoplar.

Existe una gran cantidad de estado de la técnica referente a las estructuras soporte de módulos de colectores solares, como pueden ser las patentes US6414237, US5069540, ES2326303, ES2161589, CA1088828, EP0082068, U1070880 y muchas otras.

Muchas de las invenciones del estado de la técnica describen estructuras de celosía que soportan colectores de tipo cilindro-parabólicos. Los colectores cilindro parabólicos para recolectar la energía del sol emplean espejos de forma cilindro parabólica. Por el foco de la parábola pasa una tubería o tubo colector que recibe los rayos concentrados del sol, donde se calienta el fluido. Una vez calentado el fluido, el cual alcanza temperaturas próximas a 400ºC, si dicho fluido es vapor se envía a una turbina para la producción de electricidad o, si contamos con otro tipo de fluidos caloportadores que a dicha temperatura no están en fase vapor, entonces se envían a un intercambiador de calor para la producción de éste.

Las estructuras que soportan estos colectores están formadas por una serie de vigas, brazos y las uniones entre ellas, siendo las vigas, aquellos elementos que sirven de soporte de la estructura central o torque box, son vigas sometidas a grandes esfuerzos de torsión y de flexión y, habitualmente, de una gran longitud, lo que origina problemas por la flecha que esto produce y además complica en gran medida su transporte hasta la planta.

A la vista del estado de la técnica, la invención aquí reivindicada tiene como objetivo proporcionar una estructura que sirva de soporte a un módulo de colector solar del tipo cilindro-parabólico y que, aún a pesar de estar formada por una estructura reticular de nudos y barras, tenga una serie de características que hacen que difiera substancialmente de las conocidas en el estado de la técnica, aportando importantes ventajas tanto de resistencia estructural, como de facilidad y abaratamiento en el transporte y montaje.

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Descripción de la invención

La invención consiste en una estructura soporte para un módulo de colector solar cilindro-parabólico.

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son:

- El reflector cilindro-parabólico: la misión del receptor cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez.

- El tubo absorbedor: consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el exterior de cristal.

- El sistema de seguimiento del sol: el sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro-parabólicos del colector alrededor de un eje.

- La estructura metálica: la misión de la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

La invención reivindicada se centra en desarrollar una estructura que, a diferencia del estado de la técnica conocido, tiene una serie de características esenciales que le aportan importantes ventajas frente a lo existente en el sector.

Sus características esenciales son:

1.- Estructura central cilíndrica o poliédrica de múltiples caras y seccionada: La parte o viga central de la estructura, también denominada torque box, es la parte que se encarga de soportar los esfuerzos de torsión ocasionados por el peso del tubo absorbedor y los esfuerzos del viento. Además, sobre ella, se apoyan los brazos y se sujetan las patas de la estructura. Una de las principales características que se incorporan es que esta parte central de la estructura o torque box es el cambio de su geometría con respecto al estado de la técnica ya que pasa de ser de sección rectangular o triangular a ser cilíndrica o poliédrica de múltiples capas. En sus extremos unas tapas harán de punto de anclaje del tubo absorbedor que se encuentra elevado por encima. Además, este torque box está formado por una serie de sectores de igual longitud y cada uno de los sectores está formado a su vez por varias chapas finas curvadas o plegadas, de manera que estas chapas se transportan apiladas, facilitando enormemente la logística y logrando un sistema de transporte idóneo. Una vez en planta se montan cada una de las secciones partiendo de las chapas y a continuación se monta el torque box completo, uniendo los diferentes sectores gracias a unas piezas denominadas diafragmas que materializan la unión e impiden que se produzcan abolladuras locales en el cilindro debido a las cargas puntuales ejercidas por los soportes de los tubos absorbedores.

2.- Estructura de celosía triangular: Estructura envolvente para soportar la parábola reflectante, esta estructura esta realizada en angulares en "L", todas las uniones estarán resueltas con remaches o equivalente.

3.- Estructura atirantada: El conjunto de la estructura se pretensa mediante al menos un tirante optimizando el comportamiento de la misma a flexión, de esta forma se evita tener el torque box apoyado solamente en dos puntos. Este problema se podría haber solventado aumentando el espesor del tubo, pero también se habría aumentado el precio y el peso. Los tirantes trabajan oponiéndose a la flecha, esta se intenta producir en cualquiera de las posiciones u orientaciones que adopte el torque box y dependiendo de dichas posiciones, trabajarán unos u otros tirantes, pero siempre trabajarán oponiéndose a la deformación. Los tirantes cuentan con unos puntos de amarre en los extremos gracias a los cuales se les logra dar la pretensión deseada y unos puntos intermedios solo pasantes que permiten que se les dé la curvatura necesaria y logran mantener la tensión.

Estas tres características esenciales de la nueva estructura resuelven de manera eficaz y económica los problemas existentes hasta el momento referentes a los esfuerzos de torsión, de flexión, de transporte y montaje de la estructura.

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1: Alzado del módulo

Figura 2: Vista lateral del módulo

Figura 3: Vista en perspectiva del módulo

Figura 4: Detalle de unión del tubo colector

Figura 5: Chapas plegadas que conforman cada tubo

Figura 6A: Diafragma de unión

Figura 6B: Vista en perspectiva del diafragma de unión

Figura 7: Detalle del tirante vertical.

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Las referencias de las figuras representan:

1.: Viga central o Torque box

2.: Tubo absorbedor

3.: Sección del torque box

4.: Chapas curvadas

5.: Diafragma

6.: Soporte tubo absorbedor

7.: Remachado

8.: Chapa hexagonal

9.: Radios del diafragma

10.: Tapa del torque box que conecta un módulo con el contiguo

11.: Eje de giro colector

12.: Tapa del torque box con soporte para el tubo absorbedor

13.: Tirante horizontal

14.: Tirante vertical

15.: Tirante horizontal

16.: Estructura de celosía triangular

17.: Parábola reflectante

18.: Soporte piramidal.

Realización preferente de la invención

Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir el módulo de colector solar según una realización preferente.

En las figuras 1-3 se observa una realización preferente del módulo en la que el torque box o parte central de la estructura (1) tiene una longitud total de 12 metros. El torque box (1) está dividido en tres secciones (3) de 4 m cada una. Cada una de las secciones está formada por tres chapas plegadas o curvadas (4) que, cuando se montan, conforman el tubo poliédrico o cilíndrico, tal y como se ve en la figura 5 (en la figura 5 aparecen como chapas curvadas, pero también podrían estar hechas a base de pliegues). Para unir las secciones (3) y formar el tubo entero (1) se utilizan unas piezas denominadas diafragmas (5); estos diafragmas (5) impiden que se produzcan abolladuras locales en el cilindro (1) debido a las cargas puntuales ejercidas por los soportes (6) de los tubos absorbedores (2).

Estos diafragmas (5) se muestran en las figura 6A y 6B. Gracias a ellos se consigue materializar la unión entre las distintas secciones (3), aumentando la rigidez del conjunto y disminuyendo los esfuerzos de torsión.

Los diafragmas (5) se unen a las chapas (4) que forman las secciones (3) del torque box (1) mediante remachado (7). Están formados por una chapa hexagonal (8) o cilíndrica (dependiendo de la geometría del torque box (1)), cuyos pliegues o curvatura coincide con la de las chapas (4) de las secciones (3) del torque box (1) y una serie de radios (9) que rigidizan el conjunto. Se colocan dos diafragmas (5) por cada 12 m. El torque box (1) también sirve de sujeción para las patas que soportan la estructura sobre el suelo.

Tal y como se ve en las figuras 1-3 en los extremos del torque box (1) se colocan dos tapas (10, 12). En una de las tapas(12) se encuentra ubicado el eje de giro del colector (11) y un soporte (6) para el tubo absorbedor (2), la otra (10) esta destinada para conectar este módulo con su contiguo. Otros dos soportes (6) para el tubo absorbedor (2) se fijan a lo largo del torque box (figura 3).

El hecho de que la geometría del torque box (1) haya cambiado y se trate de un poliedro (o cilindro) permite que se simplifique en gran medida el elemento de unión entre el tubo absorbedor (2) y el cilindro (1) ya que, como se observa en la figura 4, se puede apoyar directamente el elemento en forma de pirámide (18) sobre el cilindro (1) mientras que con la geometría triangular o cuadrada de los desarrollos anteriores, se necesita introducir un elemento de transición entre ambos para adaptar ambas geometrías, lo que complica y encarece el montaje.

El módulo, además del torque box (1) comprende una estructura de celosía triangular (16), mostrada en las figuras 2 y 3, que consiste en una estructura envolvente para soportar la parábola reflectante (17), la cual está realizada en angulares en "L", estando todas las uniones resueltas con remaches o métodos de unión equivalentes.

Otra característica esencial del módulo es que se trata de una estructura atirantada. Como se observa en las figuras 1 a 3, en el caso de la realización preferente, el conjunto de la estructura se pretensa mediante tres tirantes, un tirante denominado vertical (14) que recorre la estructura por su centro de un extremo a otro y dos tirantes denominados horizontales (13, 15) que se sitúan uno a cada lado del torque box (1). Estos tres tirantes optimizan el comportamiento a flexión y solventan el problema de la flecha que aparece por tener el torque box (1) apoyado solo sobre dos puntos extremos.

Así pues, los tirantes trabajan oponiéndose a la flecha, la cual se intenta producir en cualquiera de las posiciones que adopte el torque box (1). Ocurre que en posición cenital solo trabajará el tirante vertical (14), cuando el colector se sitúa a 90º solo trabajará un tirante horizontal (13 ó 15, dependiendo de hacia dónde se produzca el giro) y los otros dos (14 y 15 ó 14 y 13, según corresponda) no soportarán ninguna carga, en otras posiciones intermedias trabajarán el tirante vertical (14) y uno de los dos tirantes horizontales (13 ó 15, en función de la dirección de orientación), pero siempre trabajarán oponiéndose a la deformación.

Los tirantes cuentan con unos puntos de amarre en los extremos gracias a los cuales se les logra dar la pretensión deseada y unos puntos intermedios solo pasantes que permiten que se les dé la curvatura necesaria y logran mantener la tensión. En la figura 7 aparece un esquema detalle del tirante vertical (14).

La estructura o módulo de colector descrito está especialmente diseñado para su aplicación en colectores cilindro parabólicos, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

1. Módulo de colector solar que sirve de estructura soporte para colectores solares, de los formados por una estructura de barras en celosía con una viga en su parte central caracterizado porque cuenta con:

-: una viga central o torque box (1) de geometría cilíndrica o poliédrica de múltiples caras, dividida en varias secciones (3) y cada una de las secciones (3) formadas a su vez por varias chapas (4);

-: una estructura de celosía triangular (16) envolvente para soportar la parábola reflectante (17), estando dicha estructura realizada en angulares en "L", con todas las uniones resueltas con remaches o métodos de unión equivalentes.

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2. Módulo de colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque las chapas (4) que forman las secciones (3) de la viga central o torque box (1) son curvadas o plegadas.

3. Módulo de colector solar según reivindicación 2 caracterizado porque las diferentes secciones (3) de la viga central o torque box (1) se unen entre sí mediante unos elementos de unión denominados diafragmas (5) los cuales están formados por una chapa plegada (8) o cilíndrica.

4. Módulo de colector solar según reivindicación 3 caracterizado porque los pliegues o la curvatura de los diafragmas (5) coincide con los pliegues o la curvatura de las chapas (4) de las secciones (3) del torque box (1).

5. Módulo de colector solar según reivindicación 3 caracterizado porque los diafragmas cuentan con una serie de radios (9) que rigidizan el conjunto.

6. Módulo de colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque en los extremos del torque box (1) se colocan dos tapas (10, 12).

7. Módulo de colector solar según reivindicación 6 caracterizado porque en una tapa (12) se encuentra ubicado el eje de giro del colector (11).

8. Módulo de colector solar según reivindicación 6 caracterizado porque en una tapa (12) se encuentra ubicado un soporte (6) para el tubo absorbedor (2).

9. Módulo de colector solar según reivindicación 6 caracterizado porque una tapa (10) está destinada para conectar dicho módulo del torque box con su contiguo.

10. Módulo de colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque sobre el torque box (1) se fijan una serie de soportes (6) del tubo absorbedor (2).

11. Módulo de colector solar según reivindicación 10 caracterizado porque los soportes (6) para el tubo absorbedor (1) tienen forma de pirámide (18).

12. Módulo de colector solar según reivindicación 11 caracterizado porque los soportes (6) para el tubo absorbedor (1) se apoyan directamente sobre el torque box (1) sin necesidad de utilizar ningún elemento adicional.

13. Módulo de colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque el conjunto de la estructura se pretensa mediante al menos un tirante optimizando el comportamiento de la misma a flexión.

14. Módulo de colector solar según reivindicación 13 caracterizado porque los tirantes (13, 14, 15) cuentan con unos puntos de amarre que dan a los tirantes la pretensión deseada.

15. Módulo de colector solar según reivindicación 14 caracterizado porque los puntos de amarre están situados en los extremos de los tirantes (13, 14, 15).

16. Módulo de colector solar según reivindicación 14 caracterizado porque los tirantes (13, 14, 15) cuentan con unos puntos intermedios que mantienen la curvatura y la tensión.

17. Módulo de colector solar según reivindicación 16 caracterizado porque los puntos intermedios solo son pasantes.

18. Módulo de colector solar según reivindicación 16 caracterizado porque al menos un tirante recorre la estructura por su centro de un extremo a otro.

19. Módulo de colector solar según reivindicación 16 caracterizado porque al menos un tirante está situado en un lado del torque box (1).

20. Módulo de colector solar según reivindicación 16 caracterizado porque se colocan tres tirantes.

21. Módulo de colector solar según reivindicación 20 caracterizado porque un tirante denominado vertical (14) recorre la estructura por su centro de un extremo a otro y dos tirantes denominados horizontales (13, 15) que se sitúan uno a cada lado del torque box (1), de forma que en posición cenital solo trabajará el tirante vertical (14), a 90º solo trabajara un tirante horizontal ((13 ó 15), dependiendo de hacia dónde se produzca el giro) y en otras posiciones intermedias trabajarán el tirante vertical (14) y uno de los dos tirantes horizontales ((13 ó 15), en función de la dirección de orientación).