ES2369460A1 - Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. - Google Patents
Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2369460A1 ES2369460A1 ES200900854A ES200900854A ES2369460A1 ES 2369460 A1 ES2369460 A1 ES 2369460A1 ES 200900854 A ES200900854 A ES 200900854A ES 200900854 A ES200900854 A ES 200900854A ES 2369460 A1 ES2369460 A1 ES 2369460A1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- point
- mirror
- tube
- value
- parabolic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 65
- 238000013519 translation Methods 0.000 title abstract description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 44
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 14
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 210000002105 tongue Anatomy 0.000 claims description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 4
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 3
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- SKZKKFZAGNVIMN-UHFFFAOYSA-N Salicilamide Chemical compound NC(=O)C1=CC=CC=C1O SKZKKFZAGNVIMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000016571 aggressive behavior Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
- F24S23/80—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
-
- F24J2/1047—
-
- F24J2/12—
-
- F24J2/18—
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
- F24S23/71—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with parabolic reflective surfaces
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
- F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
- F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
-
- Y02E10/45—
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/47—Mountings or tracking
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada, donde la radiación solar es reflejada por un espejo cilíndrico de perfil parabólico, cuya sección recta tiene dos ramas parabólicas, una a continuación de otra, y teniendo la segunda rama, más externa, una distancia focal mayor que la primera o interior, aunque quedando el segundo foco en el mismo eje de simetría que el del foco de la primera parábola, aunque más alejado del ápice (punto extremo) de esta primera parábola, y siendo simétricas cada rama respecto del eje de simetría, y quedando los rayos reflejados agrupados en dos familias, según la rama parabólica, incidiendo la primera directamente en el tubo, y la segunda tras haber sufrido una reflexión adicional en espejos situados más allá del segundo foco, dándose en la invención los procedimientos de cálculo para determinar la ubicación y forma de esos espejos.
Description
Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada.
La invención se encuadra en el campo de la
energía solar térmica, particularmente la que utiliza concentración
de la radiación originaria para alcanzar alta temperatura en el bien
útil, que generalmente se materializa en un fluido calorífero que
transporta el calor solar absorbido hasta un ciclo termodinámico.
Dentro de este campo se encuadra en los colectores
cilindro-parabólicos, que concentran la radiación
solar en un eje focal longitudinal en el cual se ubica un tubo
absorbedor, por dentro del cual circula el fluido calorífero.
El tubo absorbedor está rodeado de una cubierta,
así mismo cilíndrica, de vidrio o material resistente y
transparente, que sirve para mantener vacío entre ambos tubos, con
objeto de reducir las pérdidas por convección, y para evitar la
agresión del aire sobre la pintura o adhesivo de alta absortividad y
baja emisividad que recubre el tubo absorbedor.
Uno de los procedimientos que hoy día ya se
instalan para conseguir altas temperaturas en un fluido calorífero,
a partir de la radiación solar térmica, se basa en colectores
cilindro-parabólicos que montan, en su eje focal
parabólico, un tubo coaxial, o casi coaxial, con dicho eje focal del
cilindro parabólico. Tal es el caso de la central solar térmica SEGS
de California (www.fplenergy.com/portfolio/contents/segs_viii.shtml)
y de varios montajes existentes en la Plataforma Solar de Almería
(www.psa.es) así como en centrales en construcción en España
(Andasol, www.flagsol.com/andasol).
Actualmente existen varios Colectores
Cilindro-parabólicos (CCP) comercializados, que son
los usados en las plantas y plataformas que se están construyendo, y
entre los cuales se pueden citar, por ser Marcas Registradas muy
recientes, los CCP SKAL-Eurotrough y
SENERTRHOUGH.
Para su enfoque al sol, estos colectores han de
girar sobre su eje de sujeción, que habitualmente coincide, o casi,
con el ápice de la parábola (en cada sección recta) por lo que es
una línea paralela al eje focal, situada a una distancia de unos 2
metros según el tamaño de los colectores, que vienen a tener una
apertura óptica de unos 6 metros. El tubo absorbedor siempre
permanece en la misma posición respecto del espejo parabólico, de
modo que una de sus caras mira hacia el espejo, y la otra siempre
hacia afuera.
Un problema de estos colectores es que la
radiación solar concentrada incide sobre el tubo absorbedor por sólo
una parte de su superficie, que en general no llega a cubrir 180º
(grados sexagesimales) de los 360º que ocupa el perímetro
circunferencial del tubo. Ello hace que la energía depositada por la
radiación, por unidad de superficie del tubo, presente grandes
variaciones, siendo muy alta en algo menos de la mitad de la
superficie, y siendo nula en la cara no iluminada por la radiación
(que podríamos denominar cara en sombra).
Esta enorme asimetría azimutal en la
distribución de la deposición de calor en la superficie del tubo,
provoca gradientes circunferenciales de temperatura muy elevados,
incluso en el caso de tener el material del tubo buena conductividad
de calor. Cuando el tubo es de acero, cuya conductividad es moderada
e incluso baja dentro del campo de los metales, los gradientes
pueden ser muy acusados; y cuanto más acusados sean, mayores serán
las tensiones mecánicas, de deformación del tubo, producidas por las
diferencias de temperaturas, ante las cuales las diversas partes del
tubo tratan de dilatarse a su manera, y no acompasadamente. Estas
tensiones pueden llegar a plastificar el material, produciendo
deformaciones permanentes y grandes deformaciones por fluencia, las
cuales pueden ser catastróficas para la integridad del tubo, que
deja el colector inservible de perder su estanqueidad. También es
deletérea la deformación del tubo que haga que éste llegue a rozar
con la envoltura exterior de cristal, en la cual se produciría un
calentamiento y sobrepresión local en la zona de contacto, que
acarrearía su rotura.
Para eliminar este peligro de rotura del tubo
absorbedor o de su cubierta de vidrio, se han de eliminar las
tensiones mecánicas inducidas por los grandes gradientes existentes
en el valor de la radiación incidente sobre las dos caras del tubo,
la iluminada y la que queda en sombra; lo que exige uniformizar
dicho valor de la radiación incidente. Para ello se propone la
presente invención, que se basa en un sistema guiado de reflexión
múltiple, según se detallará
después.
después.
La reflexión múltiple tiene antecedentes, aunque
no en el modo guiado de esta invención, ni para el tipo de
colectores cilindro-parabólicos al que va dirigida,
ni con la innovación de emplear dos ramas parabólicas de distancia
focal diferente. Como antecedente remoto cabe citar el documento ES
2 227 197 T3 (traducción de patente europea) "Concentrador solar
de doble reflexión" que aunque se aplica, en la primera
reflexión, a un espejo parabólico, en la segunda el espejo es plano
y se dispone en el plano de simetría del cilindro parabólico, para
reenviar los rayos solares hacia la parte exterior de la parábola,
donde se ubica el tubo o canal absorbedor. Cuando llega a éste, la
radiación está muy colimada, de modo que la cara del canal que da al
interior de la parábola recibe mucha radiación, y la que da al
exterior no recibe nada, lo que en definitiva provoca el mismo tipo
de problemas de tensiones termo-
mecánicas.
mecánicas.
Otro antecedente, no inmediato, es el de los
dispositivos llamados Fresnel de reflexión, sobre el cual existe en
experimentación el proyecto FRESDEMO en la Plataforma Solar de
Almería (www.psa.es) que se basa en un conjunto de láminas
planas longitudinales, que pueden girar cada una sobre su eje
central longitudinal, y reflejan la radiación solar sobre una
cavidad en bóveda cilíndrica de sección recta circular, de pared
interior altamente reflectiva, estando el tubo absorbedor ubicado en
el eje central de esa bóveda. Aunque éste recibe la radiación de
manera algo más uniforme que en el caso de los colectores
cilindro-parabólicos antedichos, la concentración de
radiación que se puede alcanzar es mucho menor que en éstos, y
además es menor el rendimiento geométrico de captación, pues la
cavidad en bóveda no concentra selectivamente los rayos de la
radiación sobre el tubo, sino que tiende a conformar una radiación
isótropa, lo que hace que una gran parte de la radiación se escape
de la cavidad en bóveda sin incidir sobre el tubo. En el documento
ES 2 076 359 T3 (traducción de patente europea) "Disposición de
concentrador solar" se intenta reducir el problema de las
pérdidas de radiación mediante un confinamiento de ésta entre dos
semicilindros de sección circular y distinto tamaño, enfrentados
entre sí, ambos con las superficies internas muy reflectivas,
estando el tubo absorbedor en el eje central del cilindro más
pequeño, e incidiendo la radiación en el primer cilindro (de paredes
plásticas transparentes, y en forma de tonel, aunque esta última
curvatura no es esencial para la doble reflexión y el confinamiento
de la radiación dentro de la cavidad). En todo caso, al ser la
cavidad de sección cilíndrica en ambas caras, no se guía
adecuadamente la radiación sobre el tubo, y el nivel que se alcanza
de concentración de la radiación no pasa de moderado.
La invención consiste en la configuración de una
geometría de tratamiento de la radiación solar en la que la
reflexión de los rayos solares iniciales se fracciona en dos
familias de trayectorias, impactando la primera de ellas
directamente sobre el tubo absorbedor, e impactando la segunda
familia también sobre el tubo, pero después de una reflexión
adicional, que proyecta los rayos de esta segunda familia sobre la
cara opuesta del tubo, respecto de la cara donde impactó la primera
familia. Para ello la invención consiste en configurar unos
colectores con perfil cilindro-parabólico con dos
ramas parabólicas, por cada lado, una a continuación de otra, y
teniendo la segunda rama, más externa, una distancia focal mayor que
la primera o interior, aunque quedando ese segundo foco en el mismo
eje de simetría que el del foco de la primera parábola, aunque más
alejado del ápice (punto extremo) de ésta. Esto es esencial para
evita la interferencia, tipo lente óptica, que produce la cubierta
exterior cilíndrica transparente, o tubo de cristal, concéntrico al
tubo absorbedor.
La invención se completa situando el tubo
absorbedor no exactamente con su centro en el foco de la primera
rama parabólica del colector, sino en una posición aguas arriba de
la radiación concentrada tras la reflexión inicial, esto es, más
cerca del ápice de la parábola que la posición del foco, de tal modo
que el rayo más exterior, por cada lado, de la primera familia de
rayos, que es la que se refleja en la primera rama parabólica, o más
interior, es tangente al tubo, por lo que toda la radiación de rayos
reflejados de esa familia, incide sobre el tubo absorbedor. Para
ello la invención incluye la prescripción numérica que se ha de dar
entre la ubicación del centro del tubo, el foco de la rama
parabólica interior, y la anchura de ésta.
La invención se termina de completar mediante un
conjunto adicional de espejos que se disponen más allá del tubo
según incide la radiación concentrada, de tal manera que el conjunto
adicional de espejos refleja la radiación de la segunda familia de
rayos, que es la procedente de la reflexión de rayos directamente
solares sobre la rama parabólica exterior de cada lado. Al estar el
conjunto adicional de espejos en posición aguas abajo del tubo
absorbedor, según la propagación de la radiación reflejada por el
primer espejo, los rayos de la reflexión adicional inciden sobre la
cara del tubo inicialmente en sombra, es decir, la opuesta a aquella
que ha interceptado la radiación concentrada de la primera familia
de rayos. Con esta configuración, todo el perímetro circunferencial
del tubo absorbedor recibe radiación; y aunque ésta no pueda
alcanzar valores exactamente uniformes en todas partes, la
distribución queda muy uniformizada, evitándose que quede una cara
fuertemente iluminada, y la opuesta con iluminación nula.
Este principio de la invención se puede aplicar,
con las especificadades geométricas pertinentes, a cualquier
configuración de colector cilindro-parabólico,
usando dos ramas parabólicas distintas para el perfil del primer
espejo reflectante, alterando la posición del tubo absorbedor según
lo indicado, y añadiendo los espejos pertinentes de reflexión
adicional de la segunda o más externa familia de rayos.
Para la modificación de los colectores
convencionales con objeto de configurarlos según esta invención, el
montaje de la invención se basa en una adecuación, al principio
anterior, de la geometría concreta del colector
cilindro-parabólico de que se trate, aunque el
principio de guiado de la radiación es siempre el mismo. Para
exponer éste convenientemente, es preciso tener en cuenta
propiedades geométricas básicas de las parábolas, más un principio
fundamental de la reflexión, y es que el rayo reflejado por una
superficie, forma un ángulo plano con el rayo incidente, siendo la
bisectriz de dicho ángulo la recta normal a la superficie de
reflexión. Como en nuestro caso las superficies de reflexión serán
superficies longitudinales de sección recta invariante, el estudio
de la reflexión pasa a ser simplemente bidimensional, y por tanto
expresable en un plano, aún cuando los rayos, incidente y por tanto
reflejado, puedan tener una componente de movimiento en sentido
longitudinal, lo cual no perturba las conclusiones que se obtengan
sobre las propiedades de la invención. La única salvedad se produce
en los extremos longitudinales de los colectores, donde se pierde
una cierta cantidad de radiación tras reflejarse, pues la reflejada
no encuentra tubo absorbedor, al haberse acabado éste. Pero ésta no
es una peculiaridad de la invención, sino de todo colector
cilindro-
parabólico.
parabólico.
Como consecuencia de esta realidad bidimensional
del problema, en la descripción detallada de la invención se usa
trigonometría plana, y se emplea un sistema de coordenadas para la
precisa formulación de la invención. Este sistema se basa en el
elemento esencial de los colectores
cilindro-parabólicos, que es la parábola que
constituye su primer perfil de reflexión, que es el que
verdaderamente produce la concentración de la radiación. El origen
de coordenadas es coincidente con el ápice (o extremo mínimo, pues
la parábola se considera abierta hacia arriba) y el eje de ordenadas
coincide con el eje de simetría que va desde el ápice al foco. Como
la invención usa dos ramas parabólicas distintas consecutivas por
cada lado, la referencia tomada es la primera parábola, esto es, la
más interior.
Las propiedades de la reflexión de los fotones
constituyentes de la radiación solar, ya mencionadas, se usan en la
invención para determinar la posición y perfil en sección que han de
tener los espejos adicionales de la reflexión final de la segunda
familia de rayos. Todos los dispositivos de la invención son
simétricos respecto del plano longitudinal de simetría del primer
cilindro parabólico, en el cual está su eje focal, o línea recta que
es el lugar geométrico de los sucesivos focos de las sucesivas
secciones rectas del cilindro.
La separación entre las dos familias de rayos se
produce en el rayo que, tras la reflexión en el espejo parabólico,
es tangente al tubo absorbedor, en su camino hacia el foco. Los
rayos interiores a éste, más próximos al plano de simetría, son de
la primera familia. En el punto del espejo de la primera reflexión
donde incide y se refleja el rayo más exterior de la primera
familia, se acaba la primera rama, por ese lado, y simétricamente
por el otro. A partir de la abscisa de ese punto, con cierto juego
por las tolerancias de la radiación solar, evaluables en medio grado
sexagesimal, arranca la segunda rama parabólica, o más exterior, de
mayor distancia focal, en la cual inciden y se reflejan los rayos
que constituyen la segunda familia. Contra la trayectoria de éstos,
se interpone, más allá del tubo absorbedor, un espejo que refleja
dichos rayos sobre la cara opuesta del tubo, respecto de la visión
desde el ápice de la primera parábola. En las prescripciones de la
invención hay que subrayar que la segunda familia se define a partir
del rayo que es tangente a la cubierta exterior cilíndrica
transparente, o tubo de cristal, concéntrico al tubo absorbedor, y
que sirve para mantener vacío entre ambos tubos. La segunda familia
es el conjunto de rayos que van desde éste, al rayo más exterior,
reflejado por el extremo externo de la segunda rama parabólica,
existiendo, al igual que en la primera familia, una segunda familia
de rayos por cada lado.
En el apartado de modos preferentes de
realización de la invención, se concretan las prescripciones que
establece la invención para las posiciones focales, posición del
tubo, anchuras de las ramas y disposición y perfil de los espejos
adicionales.
La figura 1 muestra una parábola genérica, con
su ápice en el origen de coordenadas y tubo absorbedor por debajo
del foco. El ángulo A es el que contiene los rayos de la primera
familia. En el tubo absorbedor se ha omitido la cubierta
transparente.
La figura 2 muestra un corte transversal de un
colector cilindro-parabólico convencional de
reflexión simple.
La figura 3 muestra el perfil del primer espejo,
según la invención, con dos ramas parabólicas, siendo la exterior de
mayor distancia focal, y definiendo la primera familia de rayos como
los interiores al rayo tangente al tubo absorbedor; y siendo la
segunda familia de rayos la reflejada por la rama exterior, por cada
lado.
La figura 4 es una ampliación de la zona vecina
a los focos de las ramas y al tubo, mostrando también la cubierta
cilíndrica transparente, esencial para definir la segunda familia de
rayos.
La figura 5 muestra el conjunto de la invención
para los colectores de reflexión simple, aunque no está a escala,
pues el tubo absorbedor es de unos 7 centímetros de diámetro, y la
anchura total del espejo parabólico primario es de unos 6 metros. En
la figura se aprecia que los rayos de la primera familia, reflejados
por la rama interior, inciden directamente sobre el tubo; mientras
que los de la segunda lo hacen por la cara de arriba, tras haber
sido reflejados por el espejo adicional que hay sobre el tubo.
La figura 6 es una ampliación de la anterior,
para definir la posición y perfil de los espejos adicionales.
La figura 7 muestra un colector de reflexión
simple, estructurado según la invención, que lo hace sustancialmente
diferente al de la figura 2, con dos ramas parabólicas más los
espejos adicionales.
La figura 8, similar a la figura 5, muestra la
invención en una alternativa de ubicación de los espejos
adicionales, que se sitúan más allá del foco de la segunda rama
(posición trans-focal).
La figura 9 es similar a la 7, pero usando la
alternativa de la figura 8, que permite tener espejos adicionales
más anchos y más separados del tubo.
Es preciso señalar que los dibujos no están a
escala, pues de estarlo, gran parte de los elementos serían
indistinguibles. Nótese que la anchura del espejo primario puede ser
de unos 6 metros, mientras que el tubo es de unos 7 u 8 centímetros
de diámetro, y algunos espejos adicionales de menos de 3
centímetros.
Los diversos componentes de la invención se
listan a continuación, para facilitar la descripción de los dibujos
y por ende de la patente en sí.
- 1.
- Parábola de la sección recta del espejo cilindro-parabólico (o rama parabólica interior, en el montaje de la invención).
- 2.
- Punto mínimo o ápice (inferior) de la parábola, que separa sus dos ramas, izquierda y derecha. Se toma como origen del sistema de coordenadas cartesianas usadas para describir y especificar la invención.
- 3.
- Foco de la parábola, donde convergen todos los rayos reflejados por ésta, cuando los incidentes son paralelos a su eje de simetría 4.
- 4.
- Eje de simetría definido por la recta que une los puntos 2 y 3. Coincide con el eje de ordenadas del sistema cartesiano.
- 5.
- Punto extremo derecho del espejo parabólico.
- 6.
- Punto extremo izquierdo del espejo parabólico, simétrico del anterior.
- 7.
- Tubo cilíndrico absorbedor, por dentro del cual fluye el fluido calorífero.
- 8.
- Centro de la sección recta del tubo 7.
- 9.
- Superficie exterior, circunferencial, del tubo 7.
- 10.
- Recta que parte del foco 3 y es tangente, por la derecha, al tubo 7.
- 11.
- Punto en el que la recta 10 corta a la parábola 1.
- 12.
- Eje de abscisas del sistema cartesiano, que es perpendicular al eje 4 en el punto 2.
- 13.
- Ángulo A formado por la recta 10 y el eje 4.
- 14.
- Espejo parabólico de un colector convencional.
- 15.
- Tubos radiales de conexión entre el tubo fijo de la instalación, 16, y el tubo 7, absorbedor, móvil con la parábola cuando esta se orienta al sol.
- 16.
- Tubo de circulación del fluido calorífero, fijo en la instalación de tierra.
- 17.
- Eje de giro del colector para enfocar la parábola al sol, que coincide con el eje del tubo fijo 16.
- 18.
- Pieza en codo, con junta rotativa, que une el tubo 7 al radial 15.
- 19.
- Pieza en codo, conjunta rotativa, que une el radial 15 con el tubo fijo 16.
- 20.
- Pilar de soporte del colector, sobre el cual gira éste.
- 21.
- Tirantes de sujeción del tubo 7 al espejo 14, que no van corridos a todo lo largo del colector, sino que sólo existen en las discontinuidades del tubo absorbedor, donde se hace la soldadura entre módulos consecutivos (unos 4 metros habitualmente).
- 22.
- Largueros de la estructura de rigidez de la parábola.
- 23.
- Cuadernas de la estructura de rigidez de la parábola.
- 24.
- Rama exterior del espejo propuesto en esta invención, correspondiendo esta rama a una parábola de distancia focal mayor que la de la rama interior.
- 25.
- Foco de la parábola correspondiente a la rama exterior, 24.
- 26.
- Punto más interior (de menor abscisa) de la rama 24. Su abscisa está en inmediata vecindad a la del punto 11, pero sin que la recta que va del punto 26 al foco 25 corte a la parábola 1.
- 27.
- Punto más exterior (de mayor abscisa) de la rama 24.
- 28.
- Ángulo B formado por las rectas que parten del foco 25 y van a los puntos 26 y 27.
- 29.
- Ángulo BB formado por el eje de simetría 4 y la recta que parte del foco 25 y va al punto 26. En valor numérico es muy parecido al ángulo A, dentro de las tolerancias de la radiación solar, pero son geométricamente distintos.
- 30.
- Recta que va del punto 26 al foco 25.
- 31.
- Recta que va del punto 27 al foco 25.
- 32.
- Superficie exterior del tubo cilíndrico de vidrio u otro material sólido transparente, concéntrico al tubo 7, que permite mantener vacío entre ambos tubos.
- 33.
- Espejo adicional para efectuar la iluminación sobre la parte superior derecha de la cara, inicialmente en sombra, del tubo 7.
- 34.
- Punto de reflexión del rayo 30 sobre el espejo 33.
- 35.
- Rayo reflejado desde el punto 34, por reflexión del rayo 30, incidiendo este rayo 35 sobre la superficie 9 del tubo 7 en su punto 36.
- 36.
- Punto la superficie 9 del tubo 7, que corresponde al corte superior entre el eje de simetría 4 y la superficie 9. Es el punto de máxima ordenada en la superficie 9.
- 37.
- Recta bisectriz del ángulo formado por las rectas 30 y 35. La pendiente del espejo 33 en el punto 34 es perpendicular a esta bisectriz.
- 38.
- Punto de la superficie 9 del tubo 7, en el cual el rayo 10 es tangente al tubo.
- 39.
- Punto de reflexión del rayo 31 sobre el espejo 33.
- 40.
- Rayo reflejado desde el punto 39, por reflexión del rayo 31, incidiendo este rayo 40 sobre la superficie 9 del tubo 7 en su punto 38.
- 41.
- Recta bisectriz del ángulo formado por las rectas 31 y 40. La pendiente del espejo 33 en el punto 39 es perpendicular a esta bisectriz.
- 42.
- Espejo adicional, simétrico al 33, para efectuar la iluminación sobre la parte superior izquierda de la cara, inicialmente en sombra, del tubo 7.
- 43.
- Lengüetas longitudinales para refrigerar los espejos 33 y 42, y darles mayor rigidez mecánica, en asociación con los elementos 44.
- 44.
- Elementos de rigidez de los espejos 33 y 42, para aumentar el momento de inercia transversal del conjunto. Cada conjunto de espejo, lengüetas 43 y elemento 44 forma un todo solidario.
- 45.
- Aletas exteriores para refrigerar el conjunto de cada espejo 33 y 42 con sus lengüetas 43 y elementos de rigidez, 44.
- 46.
- Tirantes cortos asentados en firme sobre los tirantes 21, que a su vez soportan en firme a los espejos 33 y 42.
- 47.
- Traviesa de sujeción transversal de los espejos 33 y 42.
- 48.
- Punto de tangencia sobre la superficie 9 de la recta 49, simétrica a la 10.
- 49.
- Recta simétrica a la 10.
- 50.
- Punto del espejo adicional 54, donde incide la recta o rayo 30.
- 51.
- Punto del espejo adicional 54, donde incide la recta o rayo 31.
- 52.
- Rayo reflejado desde el punto 50, que incide en el punto 36.
- 53.
- Rayo reflejado desde el punto 51, que incide en el punto 48.
- 54.
- Espejo adicional en el lado izquierdo, que refleja sobre la parte superior izquierda del tubo 7 la segunda familia de rayos proveniente de la rama parabólica derecha 24.
- 55.
- Espejo adicional en el lado derecho, simétrico del anterior.
- 56.
- Traviesa que arriostra transversalmente los espejos 54 y 55.
- 57.
- Apoyos de los espejos trans-focales 54 y 55 sobre los tirantes 21.
Para describir los modos preferentes de
realización de la invención, se parte de la figura 1, que representa
una parábola, que es el perfil que tiene la sección recta de los
colectores cilindro-parabólicos, y que tiene la
propiedad de que todos los rayos que inciden paralelos a su eje de
simetría, son reflejados por la parábola hacia un único punto,
llamado foco. Esta propiedad es la que da lugar a la concentración
de la radiación, pues dentro de las tolerancias constructivas
habituales, se puede considerar que los rayos solares son paralelos
entre sí; de modo que si se apunta el eje de simetría de la parábola
hacia el sol, la radiación de éste es reflejada hacia el foco, si
tal parábola tiene una superficie reflectante. En la figura, la
parábola es el elemento 1, siendo el 2 su punto mínimo, que también
hemos denominado ápice, aunque se encuentra en el punto más bajo, al
estar la parábola abierta hacia arriba, pues la posición natural del
sol es esa. Dicho punto es tomado como origen de las coordenadas
cartesianas, según puede apreciarse en la figura. El foco se
encuentra en el punto 3, y su definición se da a continuación. El
eje de simetría 4 es la recta definida por la unión de los puntos 2
y 3. El espejo parabólico, o parábola 1, no se extiende
indefinidamente, sino que acaba por la derecha en el punto 5, y por
la izquierda en el 6, que es simétrico del 5, respecto del eje 4.
Todas las disposiciones del colector, incluyendo las propuestas de
esta invención, son simétricas respecto del eje de simetría 4; de
modo que en general se definirán numéricamente, cuando proceda, sólo
los elementos de la parte derecha de la figura, así como los que se
asientan sobre el propio eje 4. En este eje se situará el tubo
absorbedor, que en la figura está representado por el círculo 7,
siendo 8 su centro, y 9 su superficie circunferencial.
En la figura 2 se muestra un montaje
convencional de colector cilindro- parabólico, en el que se ve el
tubo 7 emplazado de modo que su centro coincide o está próximo al
foco 3 (foco del espejo parabólico 14). En estos montajes, en los
extremos longitudinales de los colectores, existen tubos radiales,
15, que conectan el tubo 7 con los tubos fijos de la instalación del
fluido calorífero, 16, cuyos ejes coinciden con el eje de giro de la
parábola para orientar al sol su eje de simetría 4 (que en la figura
coincide con los tubos radiales 15). El eje de giro se representa
por el punto 17. Para unir el tubo absorbedor 7 con el radial 15, se
dispone una pieza en codo de 90º, con junta rotativa; y una pieza
similar se dispone para la unión del tubo radial 15 con el tubo fijo
16. Las piezas acodadas, con sus juntas, se representan
respectivamente por los elementos 18 y 19. El conjunto está
soportado por pilares 20, sobre los que rota el colector alrededor
del eje 17. Para soportar el tubo absorbedor 7, que ha de girar
solidario al espejo 14, se une a él mediante los tirantes 21, que no
van corridos a todo lo largo del colector, sino que sólo existen en
las discontinuidades del tubo absorbedor donde se hace la soldadura
entre módulos consecutivos. No interfieren, por tanto, de manera
apreciable en la reflexión de los rayos desde el espejo 14 al foco
3. Para darle consistencia mecánica, el espejo está asentado sobre
unos largueros 22 y unas cuadernas 23.
En los montajes convencionales, el centro 8 del
tubo 7 coincide, o está muy próximo, al foco 3, con objeto de que el
tubo intercepte todos los rayos reflejados hacia el foco. Sin
embargo, en la figura 1 el tubo se ha desplazado hacia abajo, de tal
modo que no todos los rayos reflejados por la parábola inciden en el
tubo 7. Desde el foco 3 se pueden trazar sendas rectas tangentes al
tubo, por derecha e izquierda, aunque en la figura sólo se ha
dibujado la de la derecha, por lo anteriormente explicado de la
simetría. La recta tangente de la derecha es el elemento 10, que
corta a la parábola en el punto 11.
En la invención se generan dos familias de
rayos, en función del lugar en el que sufran la primera reflexión
parabólica. La primera familia es el conjunto de rayos que son
interiores al rayo 10, incidiendo todos ellos directamente en el
tubo; y por tanto están reflejados desde la rama parabólica interior
del espejo, que llega hasta el punto 11, por lo cual los rayos
reflejados de esta familia tienen trayectorias hacia el foco dentro
del ángulo A.
Como se aprecia en la figura 3, y se ha
explicado en la descripción de la invención, la parte exterior del
primer espejo es una segunda rama parabólica, por cada lado, que
tiene una distancia focal mayor que la primera rama o interior, por
lo que su foco es de ordenada mayor que el primero, aunque también
está en el mismo eje de simetría, 4. Los rayos reflejados desde la
rama exterior 24, van hacia su foco, 25, dentro del ángulo B, 28, y
no inciden directamente sobre el tubo. El punto 26 es el más
interior de la rama 24, y su abscisa prácticamente coincide con la
del punto 11. Dentro de las tolerancias solares ya citadas, de medio
grado sexagesimal, se pueden considerar con una diferencia entre
ambas abscisas de 1 milímetro por cada metro de
semi-anchura, en abscisas, del conjunto del espejo.
Desde el punto 26 parte hasta el foco 25 la recta 30, que es
tangente por la derecha al cilindro transparente 32, que recubre,
dejando un vacío entre ambos, al tubo 7.
La figura 4 es útil para describir este modo de
realización de la invención, pues hay un problema de escalas, ya
dicho, por el tamaño muy diferente de ciertos elementos, y conviene
ampliar algunas zonas del colector de la figura 2 y del montaje
doblemente parabólico de la figura 3. En la figura 4 se amplía la
zona alrededor de ambos focos, 3 y 25, siendo este último el de la
rama exterior, y se muestra la circunferencia exterior 9 del tubo
absorbedor 7, y su cubierta transparente 32.
Es importante consignar que en función de las
dimensiones de los tubos 7 y 32, y de la posición de su centro 8,
hay una relación establecida entre los dos focos, 3 y 25, por las
tangencias de las rectas 10 y 30 respectivamente a las superficies
exteriores de los tubos, 9 y 32 (véase figura 4). El punto 27 es el
más exterior de la rama 24, y desde él parte el rayo reflejado más
externo, a lo largo de la recta 31. Todos los rayos contenidos entre
las rectas 30 y 31, esto es, en el ángulo B, 28, constituyen la
segunda familia de rayos. Por mor de claridad en la descripción de
la invención se define también el ángulo BB, 29, formado por la
recta 30 con el eje de simetría 4. Habida cuenta las dimensiones
constructivas de los elementos, el ángulo BB es prácticamente igual
en valor al ángulo A, aunque sean diferentes, y por sencillez de
aplicación de la invención, se tomarán de igual valor.
La figura 5 muestra la totalidad del conjunto,
aunque no está a escala, pues el tubo 7 puede tener unos 7
centímetros de diámetro, y la abscisa del punto 27 puede ser de más
de 2 metros e incluso 3. En la figura se aprecia que todos los rayos
reflejados por la rama parabólica exterior, 24, no inciden
directamente en el tubo, y por tanto se perderían, si no se aplicara
el espejo adicional de la invención, elemento 33, que tiene su
simétrico al otro lado, no representado en la figura 5. Al conjunto
de estos rayos les hemos denominado segunda familia de rayos.
Para describir la invención es imprescindible
emplear propiedades de las parábolas, por lo que a continuación se
expone brevemente un recordatorio de éstas, con las anotaciones
precisas para ser unívocos en las especificaciones de la
invención.
Si se llama, como es habitual, y a la ordenada,
y x a la abscisa en ese sistema de la figura 1, la parábola
genéricamente se define por
pudiendo usarse la notación
alternativa
existiendo la siguiente relación
entre los parámetros a y
p
El foco se encuentra en el siguiente punto de
coordenadas (x,y)
En la figura 1, la parábola representada
corresponde a un valor de los parámetros que es
En la figura 6 se presenta la primera versión de
la invención, ideada para este tipo de colectores. La invención
consiste en añadir dos espejos (simétricos entre sí, a izquierda y
derecha del eje 4, estando señalado el espejo de la derecha con el
33, y el de la izquierda con el 42. Se aprecia que los rayos
reflejados dentro del ángulo formado por las rectas 30 y 31, chocan
con el citado espejo 33, y son reflejados hacia la parte superior
del tubo, que inicialmente no recibiría radiación. Los espejos 33 y
42 están situados a una altura que está aproximadamente a la mitad
entre el foco 25 y el punto de mayor ordenada de la superficie del
tubo, 36 (es decir, el punto más alto en ese sistema de referencia
solidario con la parábola interior del primer espejo, que no está
fijo respecto de tierra, pues se mueve según se hace el seguimiento
solar).
La posición exacta de los espejos 33 y 42 se
determina por el procedimiento algebraico que se detalla a
continuación, y que forma parte de la invención. Los espejos son
piezas que se alargan longitudinalmente en paralelo al eje focal del
colector, y están soportados por los mismos tirantes 21 que soportan
el tubo 7; según se verá en una figura posterior; y al igual que los
tirantes, dichos apoyos sólo existen cada cierto trecho
(aproximadamente, hay un pequeño apoyo, de 3 centímetro, cada 4
metros o algo más, pues eso es lo que soporta de vano la cubierta de
vidrio 32 del tubo 7).
En la parte superior de los espejos 33 y 42 se
fijan unas lengüetas longitudinales 43, con una doble misión:
primera, ayudar a la refrigeración de los espejos, pues reciben
radiación muy concentrada; segunda, contribuir a dar rigidez a los
espejos, para evitar que éstos se comben demasiado, pues el vano
entre apoyos consecutivos puede ser de unos 4 metros. Para conseguir
la rigidez necesaria, las lengüetas van unidas a las piezas 44,
similares y paralelas a los espejos respectivos, formando un
conjunto ligero, tipo panal, pero de alta rigidez transversal. Eso
hace que la flecha de los espejos longitudinales 33 y 42, sea
similar a la del tubo absorbedor, dentro de las tolerancias
asociadas a la radiación solar, como consecuencia de ser el sol,
para nosotros, un disco de radiación difusa uniforme, con una
dimensión diametral de 32 minutos sexagesimales. Además se disponen,
sobre los elementos 44, unas aletas de refrigeración del conjunto,
45, a lo cual también contribuyen las lengüetas 43, que pueden tener
perforaciones transversales para facilitar el paso del aire, y
por ende la refrigeración de los espejos, 33 y
42.
42.
La disposición de los espejos en la totalidad de
la estructura se aprecia en la figura 7. En la parte superior, sobre
el tubo 7, se ven los dos espejos adicionales, 33 y 42, que se
soportan sobre los tirantes 21 a través de los tirantes cortos 46.
Estos tirantes cortos no necesitan gran consistencia mecánica, por
el escaso peso de los espejos 33 y 42 (y sus elementos adicionales
de rigidez), y lógicamente sólo se disponen en coincidencia con los
tirantes 21, es decir, cada 4 metros o así. Además de los tirantes
cortos para asentar los espejos en la estructura general, se dispone
una traviesa, 47, no pintada en la figura 6 por mor de claridad,
pero sí en la 7, que sirve para arriostrar mejor los espejos, y
fijarlos en su posición. Cada uno de los dos espejos adicionales, 33
y 42, lleva sus lengüetas longitudinales 43 y su elemento de rigidez
44, y sus aletas 45 (los cuales se muestran en la figura 6, pero no
aparecen en figura 7, por su muy reducido tamaño).
Una cuestión esencial en la invención es la
correcta configuración de los espejos adicionales, 33 y 42, y su
ubicación (véase la figura 6). En ello resulta crucial el punto 34,
que es el de intersección del rayo 30 (el más interior de la segunda
familia de rayos) con el espejo 33. En su elección hay un grado de
libertad, dentro de ciertas cotas. Téngase en cuenta que ha de estar
suficientemente por encima del tubo como para que el rayo reflejado
desde el punto 34 incida sobre el punto 36, que es el de mayor
ordenada en la superficie 9 del tubo. Más aún, el punto 34 ha de
estar suficientemente separado de la cubierta de vidrio que tiene el
tubo. Como ésta es un cilindro de radio un centímetro mayor que el
radio del tubo, o poco más, y el espejo no debe tocar al vidrio y,
más aún, debe dejar una holgura para que pueda efectuarse bien la
limpieza del conjunto con agua a presión, la elección del punto 34,
sobre la recta 30, queda acotada por abajo según lo dicho. Por
arriba, queda obviamente acotada por el propio foco 25, de la rama
parabólica exterior. Aquí se produce un problema práctico a tener en
cuenta: cuanto más cerca del foco 25 se sitúe el punto 34, más
pequeño será el espejo, que consiguientemente habrá de fabricarse
con tolerancias más estrictas; y además será mayor la intensidad de
la luz que reciba, por lo que habrá mayores problemas para su
refrigeración, dado que ninguna superficie tiene reflectividad del
100% y absortividad nula. Ello lleva a la siguiente prescripción
constructiva: el espejo debe situarse tan abajo (tan lejos del foco
25) como permita la cubierta de vidrio y la limpieza de ésta, lo
cual se cifra en 1 centímetro de separación.
Fijado el punto 34, la pendiente del espejo en
dicho punto es tal que el rayo reflejado desde él, donde incide el
rayo de la recta 30, incide sobre el tubo en su punto de mayor
ordenada, 36. Ello es así porque la recta 30 y la recta 35 que va
desde el punto 34 al 36, forman un ángulo cuya bisectriz 37 es la
recta normal al espejo (perpendicular a su tangente en ese punto).
Esa exigencia se determina algebraicamente, como se muestra a
continua-
ción.
ción.
Para ello, y para ver el efecto en uniformizar
la radiación recibida por el tubo, se va a usar además un ejemplo
numérico, junto a las leyes algebraicas generales, usando la
referencia cartesiana de la figura 1, con algunas precisiones
adicionales. Para mantener en la explicación la precisión requerida,
las coordenadas de los puntos afectados se denotarán por X ó Y
seguidas del número que identifica el punto. Por ejemplo, el foco es
el punto 3, y sus coordenadas serán X3 e Y3.
Una prescripción esencial en la invención es
bajar el tubo desde la posición de los colectores convencionales,
que es el foco 3, hasta la posición adecuada, que se va a
determinar. El radio del tubo 7 se denota por R, manteniendo su
centro 8 en el eje de simetría, es decir, siempre se cumple
Su ordenada Y8 está relacionada con el radio R y
el ángulo A, formado entre el eje de simetría 4, y la recta tangente
al tubo, 10. Se cumple
Teniendo en cuenta que la recta 10 corta a la
parábola 1 en el punto 11, a su vez se tiene que
La porción de tubo iluminada por la primera
familia de rayos es la cubierta por el ángulo A, por cada lado, en
la parte inferior del tubo. Se tiene que el arco así iluminado, que
llamamos T1, es (en radianes)
Luego el arco no iluminado por la primera
familia, T2, que debe ser iluminado por la segunda familia tiene el
valor de
Este arco T2 va, por la parte superior del tubo,
desde el punto 38, en el que es tangente la recta 10, hasta su
simétrico, pasando por el punto de mayor ordenada del tubo, 36.
Si como ilustración fijamos 11
se tiene
Es decir, en este caso T1=2T2, lo cual es
determinante para dimensionar la apertura de la parábola del espejo,
es decir, su punto 27, en relación con su punto 11, que ya está
fijado por los datos anteriores. Si recordamos la ecuación 1 de la
parábola, con su parámetro a, y la ecuación (11), el valor de X11
queda
que para este caso, con
14 La pendiente de la recta 10 será por tanto la
tangente del ángulo complementario de A, con valor negativo, pues es
descendente, y vale
-tg(60º) = -1,731.
-tg(60º) = -1,731.
Recordándose que todas las longitudes se
expresan en metros.
Para determinar X27 (el extremo de la parábola)
hay que recordar que la potencia total de la radiación solar de cada
familia de rayos (primera o interior, y segunda o exterior) es
proporcional a la anchura, en abscisas, de cada rama parabólica.
La anchura en abscisas correspondiente a la
familia primera es, por cada rama o lado,
pues la zona central de la parábola
está en sombra por el efecto del
tubo.
\vskip1.000000\baselineskip
La anchura en abscisas correspondiente a la
segunda familia, para cada rama, es
donde se ha tenido en cuenta que la
radiación solar incidirá en el tubo por la parte de arriba. No
obstante, ese efecto es muy pequeño, pues R será mucho menor que X5
ó X11. Además, en la invención se disponen, en gran parte de la zona
superior, unos espejos adicionales que van a impedir la llegada
directa de la radiación solar a la parte superior del tubo, de modo
que la anchura en cuestión se puede considerar
como
\vskip1.000000\baselineskip
Por otro lado, dentro de las tolerancias
constructivas se puede poner
Así pues hay que prescribir
Para el caso antedicho del ejemplo numérico, se
obtiene
Usando la ecuación de la parábola interior, se
obtiene la ordenada correspondiente
Con la prescripción antedicha, la irradiación
sobre cada zona de la superficie del tubo, superior e inferior, será
la misma en valor medio. De no contarse con la invención, en la cara
superior (un tercio de la circunferencia en el ejemplo antedicho) no
tendría nada de iluminación, mientras que la cara de abajo tendría
un valor muy alto, con los consiguientes gradientes circulares de
temperatura.
Para la definición de la posición y forma o
perfil del espejo 33, es importante consignar las ecuaciones de las
rectas 30 y 31. La primera de ellas es tangente, por la derecha, a
la cubierta cilíndrica de vidrio, que envuelve al tubo absorbedor, y
corresponde a
\newpage
Y su pendiente, que denominamos S30, es
Como prescripción adicional de simplificación,
se puede establecer que esta recta sea paralela a la recta 10, según
se ve en la figura 4, lo cual proporciona el valor de Y25, y del
radio del cilindro de vidrio, si se ha fijado, como ya se ha hecho,
el valor de X26 e Y26. Alternativamente puede fijarse uno cualquiera
de los otros valores, como el radio del cilindro o la posición del
foco, y quedan determinados los restantes. Esta prescripción es
igual a considerar iguales los valores de los ángulos A y BB según
se expone en la figura 4, pues es imprescindible reducir un grado de
libertad en la fijación de los puntos básicos de configuración de la
invención, aunque también podría materializarse ésta con otras
elecciones entre lo puntos 25 y 26, Por la prescripción establecida,
la pendiente de la recta 30 es -1,731, igual a la de la recta 10.
Con esta prescripción, y habiendo elegido ya las coordenadas del
punto 26, quedan fijadas las del punto 25, siendo nula su abscisa, y
valiendo 2,506 su ordenada.
Para la recta 31 la ecuación es
Y su pendiente, S31
que para el ejemplo numérico vale
-1,05. Este valor corresponde a un arco de -
46,4º.
\vskip1.000000\baselineskip
Un punto crucial en la prescripción de la
invención es que el rayo reflejado en el punto 34 llegue al punto
36, superior del tubo. Ello conforma el rayo 35, cuya ecuación
es
cuya pendiente es
S35.
Para el ejemplo numérico, hay que escoger un
valor para el punto 34, para lo cual es suficiente con fijar su
ordenada, Y34, pues la abscisa vendrá dada por la ecuación de la
recta 30.
Como Y3 = 2,5, Y8 = 2,42 e Y36 = 2,46, como
ilustración numérica seleccionamos Y34 = 2,48. Para la ordenada
antedicha, según la recta 30, la abscisa es
La pendiente del rayo 35 es en este caso
Aunque el rayo va en sentido descendente, la
pendiente es la de la recta en cuestión, y es positiva.
Con esta pendiente, más la del rayo de la recta
30 (S30) se determina la pendiente del espejo en el punto 34, pues
ha de ser perpendicular a la bisectriz de las rectas 30 y 35. El
valor de la pendiente se representa por Y' (derivada primera) y con
carácter general se cumple la siguiente relación, para los puntos en
los que quepa identificar el rayo incidente (I) y reflejado (J) con
sus respectivas pendientes, SI y SJ.
En el ejemplo numérico que exponemos se tiene,
para el punto 34,
De ello se obtiene que la pendiente del espejo
en el punto 34 ha de ser
Es decir, en este caso particular, la pendiente
del espejo en el punto 34 es nula (su recta tangente es una
horizontal).
Para abarcar con la segunda familia de rayos
toda la parte de la cara superior no iluminada por la primera
familia de rayos, el rayo más exterior de la segunda familia, que es
el de la recta 31, choca con un punto del espejo 33, al cual
llamamos punto 39, de tal forma que su rayo reflejado incida en el
punto 38, en el cual acaba la iluminación de la cara inferior del
tubo, pues el punto 38 es el de tangencia de la recta 10 con el tubo
7.
En la determinación del punto 39, y en la de la
globalidad del espejo 33, hay una situación de autoconsistencia,
pues la derivada del perfil (o ecuación) del espejo en ese punto
depende de la posición del propio punto 39 (dentro de la recta 31)
dado que el rayo 40 reflejado desde él ha de llegar al punto 38
(conocido), de tangencia de la recta 10 con el tubo 7. La ecuación
del rayo 40 es
Y su pendiente S40 es
El espejo debe tener un perfil suave y monótono,
sin discontinuidades ni en sí mismo ni en la primera derivada, de
tal modo que se asegure una reflexión así mismo de variación
monótona de un extremo al otro (puntos 34 y 39). Para ello se elige
como perfil del espejo 33 una forma parabólica, cuya ecuación
general es:
Y su pendiente
Fijado el punto 34 (en la recta 30) hay que
determinar los valores de C2, C1 y C0 para que esa parábola (33, por
ser del espejo 33) corte a la recta 31 en un punto 39 tal que su
pendiente Y'39 haga que el rayo 40, reflejado del de la recta 31,
vaya a incidir en el punto 38. Este es el criterio fundamental de la
invención para este modo de realización.
Como parte de la invención se dan a continuación
las siguientes pautas para determinar los coeficientes de la
ecuación del espejo, aunque otras rutas algebraicas son posibles,
pero están menos enraizadas en la óptima geométrica del asunto.
Los pasos del proceso son
- 1.
- Fijar Y34 (que fija X34, sobre la recta 30, ecuación 26) para lo cual se toma 1 centímetro de separación en ordenadas sobre el punto de mayor ordenada de la cubierta transparente.
- 2.
- Calcular la pendiente S35 de la recta del rayo reflejado desde el punto 34 al punto 36, que se recuerda es
\vskip1.000000\baselineskip
- 3.
- Con la pendiente S30 de la recta 30 (ecuación 26) se tienen los datos para determinar la pendiente del espejo en el punto 34, Y'34
\vskip1.000000\baselineskip
- 4.
- Conocidos Y34, Y'34 y X34 se dispone de las ecuaciones
- 5.
- Para buscar la solución al problema autoconsistente de encontrar la forma del espejo que refleja el rayo incidente en el punto extremo exterior, 39, sobre el punto 38 de la superficie 9 del tubo 7, se efectúa un barrido del dominio en el cual se halla esta solución, basándose ese barrido en ir variando el valor de la ordenada Y39, y determinando para cada uno de los valores de esa abscisa un valor de una figura de mérito FM que se anula en el punto 39 en el cual se produce la autoconsistencia del caso, con lo cual queda definida unívocamente la forma del espejo 33. La variación de Y39 se indexa con el índice n, de tal forma que para cada caso n el valor de Y39_{n} corresponde a
- \quad
- pues el espejo plano es la menor curvatura que cabe aceptar (menor valor de Y39), y de hecho reflejaría con excesiva dispersión el rayo 31, y dicho espejo plano es el caso n=1 de esta serie.
- 6.
- Se dispone así mismo de la ecuación de la recta 31, que particularizada para Y39_{n} proporciona el valor de X39_{n}, que se expresa sub-indexado, como el propio valor de Y39,
- 7.
- Para cada caso n se dispone de 3 ecuaciones lineales con 3 incógnitas, C2, C1 y C0. Tanto estas incógnitas como X39 e Y39 están indexadas a n. Las ecuaciones son:
\vskip1.000000\baselineskip
\hskip1,2cm
- 8.
- La solución del sistema anterior, para cada caso n, da
- 9.
- Con ello se conoce también el valor de Y'39_{n}
- \quad
- y se calcula la trayectoria del rayo reflejado desde ese punto del espejo, donde incide la recta 31. Téngase en cuenta que la bisectriz del ángulo de reflexión en 39 es perpendicular a la pendiente Y'39, por lo que su pendiente es (-Y'39)^{-1}. La pendiente del rayo reflejado, S40, corresponde, para cada caso n, por tanto a
- \quad
- Y por tanto el rayo reflejado se mueve en la recta 40, de ecuación
- 10.
- Se ha de saber ahora si la recta 40_{n} coincide con el punto 38, de tangencia de la recta 10 con la periferia 9 del tubo 7, o si pasa por la derecha o por la izquierda. Si coincide (dentro de la tolerancia de medio grado sexagesimal) esos son los valores de los coeficientes del perfil y la posición del espejo 33. Si pasa por la derecha del punto 38, es que la convexidad es excesiva, y se ha de reducir la pendiente Y'39, reduciendo Y39. Si pasa por la izquierda, es que la convexidad es insuficiente, y se ha de aumentar Y'39, aumentando Y39.
Para saber si la recta 40_{n}, coincide, pasa
por la derecha o pasa por la izquierda del punto 38, basta con
aplicar a la ecuación de la recta 40_{n} el valor de Y38, y
calcular el valor de su abscisa, que llamamos X4038_{n}. Si este
valor coincide, dentro de las tolerancias, con el de X38, el
problema ha convergido, y la recta 40 es la correcta, y por tanto lo
es el espejo 33. Si X4038_{n} es mayor que X38, es que la recta 40
pasa por la derecha. Si X4038_{n} es menor que X38, es que pasa
por su izquierda.
Se define como abscisa X4038_{n} la que
resulta de aplicar a la ecuación de la recta 40_{n} el valor de
Y38, por lo que
Y se define una figura de mérito o precisión,
FM_{n} dependiente del caso n, como
- 11.
- Como se comienza con espejo plano, horizontal en ordenadas, y el rayo 31 es más inclinado que el rayo 30, el valor de FM_{1} es negativo (caso del espejo plano) y a medida que se aumenta n, que es aumentar Y39_{n}, FM_{n} irá creciendo, llegando un valor de n en el cual, al pasar a (n+1) el valor de FM pasa de negativo a positivo. El espejo 33 de la invención corresponde precisamente al valor de Y39 entre Y39_{n} e Y39_{n+1} que hace, por interpolación lineal, nulo el valor de FM, entre FM_{n} que es negativo, y FM_{n+1}, que es posi- tivo.
- \quad
- A partir de este valor de Y39 que anula el valor de FM, se calculan los valores definitivos de C2, C1, C0, y X39, lo cual define inequívocamente la ubicación del espejo adicional 33, y por ende de su simétrico 42.
\newpage
Obviamente hay varios grados de libertad en esta
invención, que parte de los propios grados de libertad existentes en
el diseño de los colectores cilindro-parabólicos,
siendo el principal de éstos la distancia focal de la parábola
interior 1, es decir, sus parámetros a o p. Otro grado de libertad
es la anchura escogida para la parábola, es decir, su abscisa en su
extremo, X11. Por lo que corresponde a la invención en sí, el
principal grado de libertad lo da el valor de la distancia focal de
la rama parabólica exterior (ordenada del foco 25), y su anchura
(punto 27) estando el punto 26 sometido a la restricción de ser su
recta al foco 25 tangente al tubo transparente 32. Las anchuras en
abscisas de cada rama han de ser coherentes con la intensidad de la
radiación solar contenida en las familias primera y segunda de
rayos, según se describió en las ecuaciones (15) a (22). La
condición de tangencia de la recta 30 al tubo 32 se debe a que los
rayos de la segunda familia no deben interaccionar en ese viaje
hacia el foco 25 con el tubo 32, pues por efecto de lente y por
oblicuidad de la interacción, los rayos podrían quedar muy
distorsionados.
Obviamente existen otros métodos algebraicos
alternativos para determinar la posición y forma de los espejos 33 y
42, que pueden ser incluso más rápidos de cálculo, mediante
aceleración de la convergencia, pero no son tan sistemáticos como el
expuesto, que además se basa directamente en la óptica geométrica
del modo de realización de la invención presentado.
La figura 8 muestra una alternativa de la
invención para la colocación de los espejos adicionales, que deben
hacer el enfoque de la segunda familia de rayos sobre la parte
superior de la superficie 9 del tubo 7. En este caso los espejos se
ubican más allá del foco 25 de la segunda rama parabólica, 24. Ello
hace que los rayos de esa segunda familia, tanto de la parte
izquierda como de la derecha, converjan en el foco 25 y vuelvan a
separarse después. Teóricamente, los fotones no interaccionarían
entre ellos, y no perturbarían las trayectorias. Sin embargo, las
propias moléculas que componen el aire no son del todo
transparentes, y además está el polvo atmosférico, y la turbulencia
del aire alrededor del tubo, todo lo cual puede distorsionar un poco
esas trayectorias teóricamente lineales. Ese punto tendrá que ser
apreciado al elegir una alternativa u otra, pero como partes de la
invención las dos son igual de lícitas. En este segundo modo de
realización se tiene un grado de libertad mayor al elegir la altura
en la que ubicar los espejos, pues propiamente hablando no hay
limitación, y cuanto más arriba estén, menor será la intensidad de
flujo térmico que reciban, pues mayor será el área de los espejos.
Eso aliviará los requisitos de precisión y estabilidad dimensional
de los espejos, tanto más exigentes cuanto más pequeños sean
éstos.
Para la ubicación y determinación de los espejos
se sigue un procedimiento en todo similar al de los pasos 1 a 11
antes expuestos, cambiando algunos de los puntos y rectas, o rayos,
involucrados. No cambian las rectas 30 y 31, que delimitan los rayos
de la segunda familia. Tampoco cambia el punto 36, de mayor ordenada
de la superficie 9. Sí cambia que los rayos reflejados desde la rama
derecha 24, incidirán sobre 9 en la parte superior izquierda, entre
el punto 36 y el 48, que es el de tangencia sobre 9 de la recta 49,
simétrica a 10, siendo el punto 48 simétrico al 38, que es otra
manera de definirlo.
El espejo tendrá un extremo efectivo por el
interior, que es el punto 50, donde incide la recta o rayo 30, y
otro extremo por el exterior, el punto 51, donde incide la recta 31.
Mediante el procedimiento de la invención se determinan los valores
de las coordenadas de esos dos puntos, y del espejo 54 que se ubica
entre ambos, con perfil parabólico como se estableció en la ecuación
(40). Para ello, al aplicar el procedimiento de los pasos 1 a 11, en
este caso se han de sustituir:
El punto 38 por el 48.
El punto 34 por el 50.
El punto 39 por el 51.
El rayo 35 por el 52, que va del punto 50 al
36.
El rayo 40 por el 53, que va del punto 51 al
48.
Una diferencia no menor es que, al aplicar el
paso 1, al seleccionar la ordenada del punto 50 sobre la recta 30,
no hay más limitación que la inferior, esto es, que quede por encima
de la ordenada del foco. De este modo el espejo se puede separar del
tubo lo que se estime pertinente, haciéndolo más grande, aunque ello
modificará a su vez el perfil del espejo en cuestión, 54, y también
el de su simétrico, pero tampoco cabe hacerlo desmesuradamente
grande, pues impediría la llegada de radiación solar el espejo
primario, sobre el que proyecta su sombra.
Por cada lado, y simétricamente entre sí, se
ubican pues sendos espejos adicionales
trans-focales, 54 y 55, siendo de perfil parabólico,
y estando el del lado izquierdo, 54, definido por la expresión
\vskip1.000000\baselineskip
Siendo a su vez la pendiente del espejo 54, en
términos generales, la siguiente
determinándose los coeficientes G2,
G1 y G0 según las prescripciones siguientes, basadas en las
coordenadas de los puntos que se indican, y las rectas cuyas
ecuaciones y pendientes se dan a continuación, tomando como sistema
de coordenadas el ya definido que tiene su origen en el ápice de la
parábola interior, su eje de ordenadas coincide con el eje de
simetría, y el de abscisas es perpendicular a éste en el
ápice:
X50 es la abscisa del punto más interior del
espejo 54, siendo el punto 50 en el que impacta el rayo más interior
de la segunda familia de rayos, que como rayo va por la recta
30;
Y50 es la ordenada del punto 50, más interior
del espejo 54;
Y'50 es la pendiente del espejo 54 en el punto
50;
X51 es la abscisa del punto más exterior del
espejo 54, siendo el punto 51 en el que impacta el rayo más interior
de la segunda familia de rayos, que como rayo va por la recta
31;
Y51 es la ordenada del punto 51 más exterior del
espejo 54,
Y'51 es la pendiente del espejo 54 en el punto
51;
X48 es la abscisa del punto 48 de la superficie
9 del tubo 7, que es simétrico al punto 38, en el que es tangente el
rayo más exterior de la primera familia de rayos, que va desde el
punto de abscisa X11 en la parábola 1 al foco 3;
Y48 es la ordenada del punto 48 de la superficie
9 del tubo;
La recta del rayo 52, que va del punto 50 al 36,
tiene por ecuación
cuya pendiente es
S52
Conociéndose los puntos 26, 27 y 36 por las
especificaciones del colector que se usa como base, y fijándose el
punto 50 sobre la recta 30 por tener su ordenada por encima de la
ordenada del foco 25, de tal forma que esa distancia en ordenadas
sea entre una y tres veces la distancia en ordenadas desde el foco
25 al punto 36 de máxima ordenada en la superficie 9 del tubo 7.
Especificado el punto 50 como una especificación adicional a las del
colector original, la pendiente del espejo 54 en el punto 50, Y'50,
tiene el valor
Para determinar la ecuación del perfil de la
sección recta del espejo 54, que se extiende longitudinalmente en
paralelo al tubo absorbedor 7, se efectúa un barrido del dominio del
valor de la ordenada Y51, efectuando una variación de Y51 que se
indexa con el índice n, de tal forma que para cada caso n del
barrido de cálculo, el valor de la ordenada a usar es Y51_{n} y
corresponde a
pues el espejo plano horizontal
(ordenada constante) es un límite que puede emplearse para comenzar
el barrido, aunque refleja con excesiva dispersión el rayo 31, y
dicho espejo plano es el caso n=1 de esta
serie.
Se dispone así mismo de la ecuación de la recta
31 (ecuación 27), que particularizada para Y51_{n} proporciona el
valor de X51_{n}, que se expresa sub-indexado,
como el propio valor de Y51,
Para cada caso n existen 3 ecuaciones lineales
con 3 incógnitas, G2, G1 y G0. Tanto estas incógnitas como X51 e Y51
están indexadas a n, como se indica a continuación. Las ecuaciones
son:
La solución del sistema anterior, para cada caso
n, da
Con ello se conoce también el valor de
Y'51_{n}
y se calcula la trayectoria del
rayo reflejado desde ese punto del espejo, 51, donde incide la recta
31. Téngase en cuenta que la bisectriz del ángulo de reflexión en 51
es perpendicular a la pendiente Y'51, por lo que su pendiente es
(-Y'51)^{-1}. La pendiente del rayo reflejado, S53,
corresponde por tanto
a
que está particularizada para cada
caso n, por lo que el rayo reflejado se mueve en la recta 53_{n},
de
ecuación
Se define como abscisa X5348_{n} la que
resulta de aplicar a la ecuación de la recta 53_{n} el valor de
Y48, por lo que
Y a partir de ella se calcula una figura de
mérito o precisión, FP_{n} del caso n, como
En el barrido se comienza con espejo plano
horizontal (ordenada constante), y por tener el rayo 31 una
pendiente más inclinada que el rayo 30, el valor de FP_{1} es
negativo (caso del espejo plano) y a medida que se aumenta n, que es
disminuir Y51_{n}, FP_{n} irá creciendo, llegando un valor de n
en el cual, al pasar a (n+1) el valor de FP pasa de negativo a
positivo. El espejo 54 de la invención corresponde precisamente al
valor de Y51 entre Y51_{n} e Y51_{n+1} que hace, por
interpolación lineal, nulo el valor de FP, entre FP_{n} que es
negativo, y FP_{n+1}, que es positivo.
Con este valor de Y51 que anula el valor de FP,
se calculan los valores definitivos de G2, G1, G0, y X51, lo cual
define inequívocamente la ubicación del espejo adicional 54, y
por ende de su simétrico 55.
En la figura 9 se aprecia el montaje completo de
este modo de realización, en el cual los espejos adicionales 54 y
55, junto a la traviesa 56 que los arriostra transversalmente, están
mucho más separados del tubo 7 (y de su cubierta transparente 32)
que en el montaje anterior de la figura 7.
Los espejos adicionales
trans-focales 54 y 55, llevan respectivamente, al
igual que los espejos cis-focales en su caso, unas
lengüetas longitudinales 43 perpendiculares a sus perfiles,
uniéndose todo solidariamente a un cuerpo resistente 44 del mismo
perfil que el espejo, que a su vez, por la parte superior, lleva
unas aletas 45 de refrigeración, hechas, como las lengüetas, de
material buen conductor del calor (siendo estos elementos, 43, 44 y
45, mostrados en la figura 6, que se pueden aplicar a los espejos
trans-focales al igual que a los
cis-focales), y uniéndose ambos espejos entre sí,
por la parte superior, o por los cuerpos 44 respectivos, mediante
una traviesa de arriostramiento transversal, 56; y estando cada uno
de los espejos 54 y 55, por su lado, asentado a través de unos
apoyos, 57, en la estructura soporte del tubo 7, que se sustenta
mediante unos tirantes 21 a la estructura de soporte del espejo
parabólico primario, habiendo una pareja de tirantes y apoyos, 21 y
57, por cada lado, en los extremos de cada módulo longitudinal de
tubo (más su cubierta de cristal).
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 (8)
1. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada, en
el que la radiación solar directa es reflejada por un espejo
cilíndrico de perfil parabólico, que concentra los rayos solares
sobre su eje focal longitudinal, paralelo al cual y en inmediata
vecindad se sitúa un tubo 7 que absorbe la radiación, calentando un
fluido que circula por su interior, estando dicho tubo 7 recubierto
externamente por otro tubo cilíndrico de material transparente, 32,
y estando ambos tubos solidariamente unidos en sus extremos
longitudinales de cada módulo, y quedando asentados sobre la
estructura general del colector, que soporta el espejo primario
parabólico, mediante unos tirantes 21, caracterizado por que
se configura con un espejo cilindro-parabólico
longitudinal cuya sección recta tiene dos ramas parabólicas, 1, 24,
por cada lado, una a continuación de otra, y teniendo la segunda
rama, 24, más externa, una distancia focal mayor que la primera o
interior, 1, aunque quedando ese segundo foco, 25, en el mismo eje
de simetría, 4, que el del foco 3 de la primera parábola, 1, aunque
más alejado del ápice 2 (punto extremo) de esta primera parábola, y
siendo simétricas cada rama respecto del eje de simetría 4.
2. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada,
según reivindicación primera, caracterizado por que la
reflexión de los rayos solares iniciales se fracciona en dos
familias de trayectorias, según tengan su primera reflexión en la
parábola interna 1, lo cual configura la primera familia de rayos,
siendo la segunda familia, por cada lado, la que se refleja en la
rama parabólica exterior, 24, e impactando la primera familia de
rayos directamente sobre el tubo absorbedor 7, e impactando la
segunda familia también sobre el tubo, pero después de una reflexión
adicional en espejos ubicados más allá del tubo, que proyectan los
rayos de esta segunda familia sobre la cara opuesta del tubo,
respecto de la cara donde impactó la primera familia; pudiendo ser
estos espejos adicionales de posición cis-focal,
esto es, anteriores al foco de la segunda rama parabólica, habiendo
en este caso un espejo adicional, 33, en la derecha, y otro espejo
adicional, 42, en la izquierda, siendo simétricos entre sí respecto
del eje 4; o pudiendo ser estos espejos adicionales de posición
trans-focal, esto es, situados más allá del foco de
la segunda rama parabólica, 25, habiendo en este caso un espejo
adicional trans-focal, 54 en la izquierda respecto
al eje 4, siendo el espejo que recibe la radiación reflejada por la
rama parabólica exterior 24 de la derecha, y habiendo en este caso
otro espejo adicional trans-focal 55, simétrico del
anterior, en la derecha respecto al eje 4, que recibe la radiación
reflejada por la rama parabólica exterior 24 de la izquierda.
3. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada,
según reivindicación 2, caracterizado porque los espejos
adicionales cis-focales 33 y 42, llevan
respectivamente unas lengüetas longitudinales 43 perpendiculares a
sus perfiles, uniéndose todo solidariamente a un cuerpo resistente
44 del mismo perfil que el espejo, que a su vez, por la parte
superior, lleva unas aletas 45 de refrigeración, hechas, como las
lengüetas, de material buen conductor del calor, y uniéndose ambos
espejos entre sí, por la parte superior, o por los cuerpos 44
respectivos, mediante una traviesa de arriostramiento lateral, 47; y
estando cada uno de los espejos 33 y 42, por su lado, asentado a
través de unos tirantes cortos, 46, en la estructura soporte del
tubo 7, que se sustenta mediante unos tirantes largos 21 en la
estructura de soporte del espejo parabólico primario, habiendo una
pareja de tirantes largos, 21, y tirantes cortos, 46, uno por cada
lado de cada tipo, en los extremos de cada módulo longitudinal de
tubo.
4. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada,
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que por encima del tubo absorbedor 7, por
cada lado, y simétricamente entre sí, se ubican sendos espejos
adicionales trans-focales, 54 y 55, siendo de perfil
parabólico, que llevan unas lengüetas longitudinales 43
perpendiculares a sus perfiles, uniéndose todo solidariamente a unos
cuerpos resistentes 44 del mismo perfil que el espejo, que a su vez,
por la parte superior, lleva unas aletas 45 de refrigeración,
hechas, como las lengüetas 43, de material buen conductor del calor,
y uniéndose ambos espejos entre sí, por la parte superior, o por los
cuerpos 44 respectivos, mediante una traviesa de arriostramiento
transversal, 56; y estando cada uno de los espejos adicionales
trans-focales, 54 y 55, por su lado, asentado a
través de unos apoyos, 57, en la estructura soporte del tubo 7, que
se sustenta mediante unos tirantes largos, 21, en la estructura de
soporte del espejo parabólico primario, habiendo una pareja de
tirantes largos, 21, y apoyos, 57, uno por cada lado de cada tipo,
en los extremos de cada módulo longitudinal de tubo.
5. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada,
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que el tubo absorbedor 7 se sitúa en una
posición aguas arriba de la radiación concentrada tras la reflexión
inicial, esto es, más cerca del ápice de la parábola que la posición
del foco, situando el centro 8 del tubo en una posición que se
prescribe a continuación, tomando como origen de coordenadas
cartesianas el ápice de la parábola interior, siendo el eje de
ordenadas el eje de simetría que va desde el ápice al foco, y siendo
el eje de abscisas la recta perpendicular al eje de simetría, en el
ápice antedicho; por lo cual la primera parábola se define en
función de su parámetro "a" de proporcionalidad entre el valor
de la ordenada y el cuadrado de la abscisa, siendo dicho parámetro
"a" la cuarta parte del inverso de la distancia desde el ápice
2 al foco 3, o distancia focal; y situando el centro del tubo en el
eje de simetría 4, con una ordenada, Y8, que se define a través de
la ordenada del foco, Y3, del radio del tubo absorbedor, R, y del
ángulo A comprendido entre el eje de simetría 4 y la recta que va
desde el foco al extremo derecho de la parábola 1, siendo dicha
definición
\newpage
\global\parskip0.950000\baselineskip
cumpliéndose además que la
semi-anchura, en abscisas, del espejo parabólico 1,
identificada por el valor de la abscisa de su punto extremo derecho,
X11,
es
por lo que el rayo más exterior,
por cada lado, de la primera familia de rayos, que es la que se
refleja en la primera rama parabólica, o más interior, es tangente a
la superficie 9 del tubo 7, en el punto 38, de modo que toda la
radiación de rayos reflejados de esa familia, incide directamente
sobre el tubo absorbedor
7.
6. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada según
la reivindicación 5, caracterizado por que la
semi-anchura, en abscisas, de la rama parabólica
exterior del primer espejo es proporcional a la
semi-anchura, en abscisas, de la rama parabólica
interior, según la razón de parámetros T2/T1, siendo el valor de
estos parámetros
7. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada según
cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por
que por encima del tubo absorbedor 7, por cada lado, y
simétricamente entre sí, se ubican sendos espejos adicionales
cis-focales, 33 y 42, siendo de perfil parabólico, y
estando el del lado derecho, 33, definido por la expresión
siendo a su vez la pendiente del
espejo adicional cis-focal de la derecha,
33,
y siendo los coeficientes C2, C1 y
C0 unos valores tales que expresan correctamente la relación
geométrica que hay entre los elementos de la invención, obteniéndose
sus valores según las prescripciones siguientes, basadas en las
coordenadas de los puntos que se indican, y las rectas cuyas
ecuaciones y pendientes se dan a continuación, identificándose los
puntos por un número, y sus coordenadas por ese número precedido de
X en el caso de la abscisa, e Y para la ordenada, e identificándose
también las rectas por un número, y las pendientes por la letra S
seguida de ese número, y siendo los elementos geométricos siguientes
los
relevantes:
X34 es la abscisa del punto más interior del
espejo adicional cis-focal de la derecha 33, siendo
este punto, 34, en el que impacta el rayo más interior de la segunda
familia de rayos, que como rayo va por la recta 30;
Y34 es la ordenada del punto 34;
Y'34 es la pendiente del espejo adicional
cis-focal de la derecha 33 en el punto 34;
X39 es la abscisa del punto más exterior del
espejo adicional cis-focal de la derecha 33, siendo
este punto, 39, en el que impacta el rayo más interior de la segunda
familia de rayos, que como rayo va por la recta 31;
Y39 es la ordenada del punto 39;
Y'39 es la pendiente del espejo adicional
cis-focal de la derecha 33 en el punto 39
X26 es la abscisa del punto más interior, 26, de
la rama parabólica exterior 24 del espejo primario, siendo el punto
del que parte el rayo más interior de la segunda familia de rayos,
que como rayo va por la recta 30;
Y26 es la ordenada del punto 26;
X27 es la abscisa del punto más exterior, 27, de
la rama parabólica exterior 24 del espejo primario, siendo el punto
del que parte el rayo más interior de la segunda familia de rayos,
que como rayo va por la recta 31;
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
Y27 es la ordenada del punto 27;
X36 es la abscisa del punto, 36, de mayor
ordenada en la superficie 9 del tubo 7, siendo el punto en el que
impacta el rayo más interior de la segunda familia de rayos, una vez
reflejado en el espejo adicional cis-focal de la
derecha 33;
Y36 es la ordenada del punto 36;
X38 es la abscisa del punto, 38, de la
superficie 9 del tubo 7 en el que es tangente el rayo más exterior
de la primera familia de rayos, que va desde el punto de abscisa X11
en la parábola 1 al foco 3;
Y38 es la ordenada del punto 38;
siendo la ecuación de la recta 30 la
siguiente:
que es tangente, por la derecha, a
la cubierta cilíndrica de vidrio, que envuelve al tubo absorbedor, y
siendo su pendiente,
S30,
siendo el valor de esta pendiente
igual a la de la recta 10, que parte del foco de la parábola
primaria interior, Y3, y es tangente, por la derecha, al tubo
absorbedor, y siendo la recta 31 de
ecuación
y su pendiente,
S31
y teniendo la recta del rayo 35,
que va del punto 34 al 36, por
ecuación
cuya pendiente es
S35,
por lo que la pendiente del espejo
en el punto 34 tiene el
valor
y sabiéndose conocidos los puntos
26, 27 y 36 por las especificaciones del colector, se fija el punto
34 sobre la recta 30 por tener su ordenada 1 centímetro más alto que
el punto de más alta ordenada de la cubierta transparente cilíndrica
32, coaxial con el tubo
7;
\newpage
\global\parskip0.970000\baselineskip
procediéndose a efectuar un barrido del dominio
del valor de la ordenada Y39, efectuando una variación de Y39 que se
indexa con el índice n, de tal forma que para cada caso n del
barrido de cálculo, el valor de la ordenada a usar es Y39_{n} y
corresponde a
pues el espejo plano horizontal es
la menor curvatura que cabe aceptar, que es el menor valor de Y39,
que es en este caso igual a Y34, y de hecho el espejo reflejaría con
excesiva dispersión el rayo 31, y dicho espejo plano es el caso n=1
de esta
serie;
y disponiéndose así mismo de la ecuación de la
recta 31, dada en la ecuación 27, que particularizada para Y39_{n}
proporciona el valor de X39_{n}, que se expresa
sub-indexado, como el propio valor de Y39,
de manera que para cada caso n
existen 3 ecuaciones lineales con 3 incógnitas, C2, C1 y C0, estando
estas incógnitas así como X39 e Y39 indexadas a n, como se indica a
continuación con las
ecuaciones:
y la solución del sistema anterior,
para cada caso n,
da
con lo que se conoce también el
valor de
Y'39_{n}
y se calcula la trayectoria del
rayo reflejado desde ese punto del espejo, 39, donde incide el rayo
que va por la recta 31, de manera que la bisectriz del ángulo de
reflexión en 39 es perpendicular a la pendiente Y'39, por lo que su
pendiente es -Y'39^{-1}, con lo que la pendiente del rayo
reflejado, S40, corresponde
a:
moviéndose el rayo reflejado a lo
largo de la recta 40_{n}, de
ecuación
y definiéndose como abscisa X4038n
la que resulta de aplicar a la ecuación de la recta 40_{n} el
valor de Y38, por lo
que
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
y a partir de ella se calcula una
figura de mérito o precisión, FM_{n} del caso n,
como
comenzando el barrido con espejo
plano horizontal (ordenada constante), y por ser el rayo que va por
la recta 31 más inclinado que el rayo de la recta 30, el valor de
FM_{1} es negativo (caso del espejo plano) y a medida que se
aumenta n, que es aumentar Y39_{n}, FM_{n} irá creciendo,
llegando un valor de n en el cual, al pasar a (n+1) el valor de FM
pasa de negativo a
positivo;
siendo el espejo adicional
cis-focal de la derecha, 33, el que corresponde
precisamente al valor de Y39, que estando entre Y39_{n} e
Y39_{n+1} ,hace, por interpolación lineal, nulo el valor de FM,
entre FM_{n} que es negativo, y FM_{n+1}, que es positivo;
quedando definidos con este valor de Y39, que
anula el valor de FM, los valores definitivos de C2, C1, y C0,
mediante las ecuaciones (50), (51), y (52), lo cual define
inequívocamente la ubicación del espejo adicional
cis-focal de la derecha 33, y por ende de su
simétrico, espejo adicional cis-focal de la
izquierda, 42.
8. Colector solar
cilindro-parabólico con radiación uniformizada según
cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por
que por encima del tubo absorbedor 7, por cada lado, y
simétricamente entre sí, se ubican sendos espejos adicionales
trans-focales, 54 y 55, siendo de perfil parabólico,
y estando el del lado izquierdo, 54, definido por la expresión
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
siendo a su vez la pendiente del
espejo adicional trans-focal izquierdo,
54,
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y siendo los coeficientes G2, G1 y
G0 unos valores tales que expresan correctamente la relación
geométrica que hay entre los elementos de la invención, obteniéndose
sus valores según las prescripciones siguientes, basadas en las
coordenadas de los puntos que se indican, y las rectas cuyas
ecuaciones y pendientes se dan a
continuación:
siendo X50 la abscisa del punto más interior,
50, del espejo adicional trans-focal izquierdo 54,
siendo el punto 50 en el que impacta el rayo más interior de la
segunda familia de rayos, que como rayo va por la recta 30;
siendo Y50 la ordenada del punto 50;
y siendo Y'50 la pendiente del espejo adicional
trans-focal izquierdo 54 en el punto 50;
siendo X51 la abscisa del punto más exterior,
51, del espejo adicional trans-focal izquierdo 54,
siendo el punto 51 en el que impacta el rayo más interior de la
segunda familia de rayos, que como rayo va por la recta 31;
siendo Y51 la ordenada del punto 51;
y siendo Y'51 la pendiente del espejo adicional
trans-focal izquierdo 54 en el punto 51;
siendo X48 la abscisa del punto, 48, de la
superficie 9 del tubo 7, siendo este punto 48 el simétrico al punto
38, siendo el punto 38 en el que es tangente el rayo más exterior de
la primera familia de rayos, que va desde el punto de abscisa X11 en
la parábola 1 al foco 3;
Y48 es la ordenada del punto 48;
teniendo la recta del rayo 52, que va del punto
50 al 36, por ecuación
cuya pendiente es
S52
y conociéndose los puntos 26, 27 y
36 por las especificaciones del colector que se usa como base, el
punto 50 se fija sobre la recta 30 por tener su ordenada por encima
de la ordenada del foco 25, de tal forma que esa distancia en
ordenadas sea entre una y tres veces la distancia en ordenadas desde
el foco 25 al punto 36 de máxima ordenada en la superficie 9 del
tubo
7;
teniendo la pendiente del espejo adicional
trans-focal izquierdo 54 en el punto 50 el valor
procediéndose a efectuar un barrido
del dominio del valor de la ordenada Y51, efectuando una variación
de Y51 que se indexa con el índice n, de tal forma que para cada
caso n del barrido de cálculo, el valor de la ordenada a usar es
Y51_{n} y corresponde
a
pues el espejo plano horizontal, de
ordenada constante, es un límite que puede emplearse para comenzar
el barrido, aunque refleja con excesiva dispersión el rayo que va
por la recta 31, y dicho espejo plano es el caso n=1 de esta
serie;
serie;
y disponiéndose así mismo de la ecuación de la
recta 31, que es la ecuación 27, que particularizada para Y51_{n}
proporciona el valor de X51_{n}, que se expresa
sub-indexado, como el propio valor de Y51,
existiendo, para cada caso n, 3
ecuaciones lineales con 3 incógnitas, G2, G1 y G0, y estando estas
incógnitas así como X51 e Y51 indexadas a n, como se indica a
continuación, con las siguientes
ecuaciones:
siendo la solución del sistema
anterior, para cada caso
n,
conociendo también el valor de
Y'51_{n}
\vskip1.000000\baselineskip
calculándose la trayectoria del
rayo reflejado desde ese punto del espejo, 51, donde incide el rayo
que va por la recta 31, sabiendo que la bisectriz del ángulo de
reflexión en 51 es perpendicular a la pendiente Y'51, por lo que su
pendiente es -Y'51^{-1}, con lo que la pendiente del rayo
reflejado, S53, corresponde
a
para cada caso n, por lo que el
rayo reflejado en cada caso se mueve en la recta 53_{n}, de
ecuación
y definiéndose como abscisa
X5348_{n} la que resulta de aplicar a la ecuación de la recta
53_{n} el valor de Y48, por lo
que
por lo que a partir de ella se
calcula una figura de mérito o precisión, FP_{n} del caso n,
como
comenzando el barrido con espejo
plano horizontal, de ordenada constante, y por ser el rayo que va
por la recta 31 más inclinado que el rayo que va por la recta 30, el
valor de FP_{1} es negativo, que es el caso del espejo plano, y a
medida que se aumenta n, que es disminuir Y51_{n}, FP_{n} irá
creciendo, llegando un valor de n en el cual, al pasar a (n+1) el
valor de FP pasa de negativo a
positivo;
siendo el espejo adicional
trans-focal izquierdo 54 el que corresponde
precisamente al valor de Y51, que estando entre Y51_{n} e
Y51_{n+1} ,hace, por interpolación lineal, nulo el valor de FP,
entre FP_{n} que es negativo, y FP_{n+1}, que es positivo;
quedando definidos con este valor de Y51, que
anula el valor de FP, los valores definitivos de G2, G1, y G0,
mediante aplicación de las ecuaciones (68), (69) y (70), lo cual
define inequívocamente la ubicación del espejo adicional
trans-focal izquierdo 54, y por ende de su
simétrico, el espejo adicional trans-focal derecho,
55.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200900854A ES2369460B1 (es) | 2009-03-30 | 2009-03-30 | Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200900854A ES2369460B1 (es) | 2009-03-30 | 2009-03-30 | Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2369460A1 true ES2369460A1 (es) | 2011-12-01 |
ES2369460B1 ES2369460B1 (es) | 2012-11-06 |
Family
ID=44937378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES200900854A Expired - Fee Related ES2369460B1 (es) | 2009-03-30 | 2009-03-30 | Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2369460B1 (es) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2446890A1 (es) * | 2012-09-07 | 2014-03-10 | Abengoa Solar New Technologies S.A. | Estructura soporte para colector solar cilíndrico de concentración y colector solar que comprende la mencionada estructura |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4239344A (en) * | 1977-08-26 | 1980-12-16 | Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg Aktiengesellschaft | Reflector for solar collectors |
FR2472146A1 (fr) * | 1978-12-22 | 1981-06-26 | Simon Michael | Installation de conversion d'energie solaire |
US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
WO2002012799A2 (en) * | 2000-08-07 | 2002-02-14 | Ven, Juha | Device for utilizing concentrated solar energy |
CN1811297A (zh) * | 2006-02-20 | 2006-08-02 | 河海大学 | 二级反射聚光集热器 |
US20060225730A1 (en) * | 2005-04-07 | 2006-10-12 | Arnold Anderson | Radiant Energy Collector |
ES2302485A1 (es) * | 2008-02-19 | 2008-07-01 | Jose Ma. Martinez-Val Pelalosa | Colectores cilindro-parabolicos de energia solar termica con tubo fijo no rotativo. |
WO2009024011A1 (fr) * | 2007-08-17 | 2009-02-26 | Kang, Xuehui | Réflecteur et récupérateur de chaleur de type cuve solaire l'utilisant |
-
2009
- 2009-03-30 ES ES200900854A patent/ES2369460B1/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4239344A (en) * | 1977-08-26 | 1980-12-16 | Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg Aktiengesellschaft | Reflector for solar collectors |
FR2472146A1 (fr) * | 1978-12-22 | 1981-06-26 | Simon Michael | Installation de conversion d'energie solaire |
US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
WO2002012799A2 (en) * | 2000-08-07 | 2002-02-14 | Ven, Juha | Device for utilizing concentrated solar energy |
US20060225730A1 (en) * | 2005-04-07 | 2006-10-12 | Arnold Anderson | Radiant Energy Collector |
CN1811297A (zh) * | 2006-02-20 | 2006-08-02 | 河海大学 | 二级反射聚光集热器 |
WO2009024011A1 (fr) * | 2007-08-17 | 2009-02-26 | Kang, Xuehui | Réflecteur et récupérateur de chaleur de type cuve solaire l'utilisant |
ES2302485A1 (es) * | 2008-02-19 | 2008-07-01 | Jose Ma. Martinez-Val Pelalosa | Colectores cilindro-parabolicos de energia solar termica con tubo fijo no rotativo. |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2446890A1 (es) * | 2012-09-07 | 2014-03-10 | Abengoa Solar New Technologies S.A. | Estructura soporte para colector solar cilíndrico de concentración y colector solar que comprende la mencionada estructura |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2369460B1 (es) | 2012-11-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ES2281844T3 (es) | Colector solar. | |
WO2001040829A1 (es) | Dispositivo para concentracion o colimacion de energia radiante | |
ES2375389B1 (es) | Planta de concentración solar tipo fresnel con reconcentrador secundario optimizado. | |
ES2345759B2 (es) | Receptor para central solar con espejos longitudinales. | |
ES2631805T3 (es) | Conjunto óptico con alto nivel de eficiencia para el almacenamiento y el uso de energía de una fuente solar | |
ES2364665A1 (es) | Sistema de captación y concentración de luz. | |
ES2388530A1 (es) | Un sistema receptor central solar | |
ES2302485B1 (es) | Colectores cilindro-parabolicos de energia solar termica con tubo fijo no rotativo. | |
US20110220094A1 (en) | Secondary reflector for linear fresnel reflector system | |
ES2364476T3 (es) | Dispositivo concentrador de radiación. | |
ES2369460A1 (es) | Colector solar cilindro-parabólico con radiación uniformizada. | |
CN103645523A (zh) | 一种反射式椭球面光栏 | |
ES2345427B2 (es) | Dispositivo de concentracion de la radiacion solar, con espejos y receptor longitudinales. | |
ES2958744T3 (es) | Concentrador solar | |
ES2341836B1 (es) | Colector solar cilindro-parabolico con doble reflexion uniformizada. | |
ES2831649T3 (es) | Sistema de enfoque de bajo coste que permite altas concentraciones | |
ES2671324T3 (es) | Estructura de un espejo concentrador para concentración de energía solar | |
ES2537607B2 (es) | Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar | |
ES2364115B1 (es) | Colector solar cilindro paramétrico con reconcentrador secundario optimizado y su procedimiento de diseño. | |
ES2695529T3 (es) | Dispositivo de refracción solar para calentamiento de materiales industriales | |
ES2844699T3 (es) | Concentrador solar | |
ES2355228B1 (es) | Colector solar cilindro-parabólico equilibrado en el volumen de sombra. | |
ES2449167A1 (es) | Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar | |
PT104064A (pt) | Concentradores primários de étendue ajustada combinados com secundários associados a múltiplos receptores e com redução de convecção | |
WO2008152176A2 (es) | Sistema óptico para captación y concentración de energía solar |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FC2A | Grant refused |
Effective date: 20091218 |
|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2369460 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20121106 |
|
FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20210915 |