ES2370730A1 - Receptor solar de serpentín para disco stirling y el método de fabricación. - Google Patents
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Abstract
Receptor solar de serpentín para disco Stirling cuyos componentes principales son tubos (donde incide la luz solar), colectores, depósitos y cúpulas (hay de dos tipos, la encargada de alojar en su interior el regenerador y la cúpula de expansión que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor temperatura) que comprende una serie de tubos (1) que salen perpendicularmente de un colector (2) y llegan perpendicularmente al otro (2) y donde cada tubo consta de dos partes curvas (10) en forma de semicircunferencias y tres partes rectas (11) paralelas entre sí: una parte recta central (entre curvatura y curvatura) y dos partes rectas en los extremos (entre curvatura y salida de un colector (2)), encontrándose las dos partes rectas de los extremos en un mismo plano, mientras que la parte recta del centro se encuentra en otro plano distinto.
Description
\global\parskip0.950000\baselineskip
Receptor solar de serpentín para disco Stirling
y el método de fabricación.
La invención se encuadra dentro la tecnología de
los colectores solares y más concretamente se centra en el diseño de
receptores solares para disco Stirling.
Los sistemas disco Stirling son unidades de
generación de electricidad que usan la radiación solar como fuente
de energía. La capacidad de una sola unidad está entre 3 y 50
kWe.
Los sistemas disco Stirling transforman con alta
eficiencia la radiación solar concentrada en energía eléctrica. Los
componentes esenciales del sistema son:
- \bullet
- Concentrador solar parabólico.
- \bullet
- Sistema de seguimiento.
- \bullet
- Motor Stirling con generador eléctrico.
- \bullet
- Intercambiador de calor solar (receptor solar).
El modo de funcionamiento de un sistema de disco
Stirling es el siguiente: el concentrador refleja la radiación solar
hacia el receptor que está situado en el punto focal del
concentrador. La radiación solar se absorbe en el receptor y este
calienta el gas (helio o hidrógeno) del motor Stirling a
temperaturas que rondan los 650ºC. Este calor se convierte en
energía mecánica en el motor Stirling. Un generador eléctrico
convierte esta energía mecánica en electricidad. Para conseguir que
la radiación reflejada incida en el punto focal durante todo el día,
un sistema de seguimiento solar mueve el concentrador continuamente
para seguir la trayectoria del sol.
La tecnología de los receptores solares se
desarrolla en función del tipo de proceso en el que se vaya a
utilizar, es decir, el tipo de planta y el ciclo utilizado. La
invención que se presenta se refiere a la planta de recepción solar
con disco y el ciclo es el de Stirling. Por supuesto, es interesante
conocer los antecedentes y desarrollos previos utilizados en
aplicaciones solares. Las tecnologías utilizadas para plantas
solares de receptores de torre suponen un referente de
aplicación.
En particular, para el disco parabólico Stirling
se utilizan dos tipologías de sistemas receptores:
- \bullet
- Sistemas receptores externos.
- \bullet
- Sistemas receptores de cavidad.
Los receptores externos tienen superficies de
absorción en vista directa con los concentradores y dependen de la
absorción directa de la radiación. Los receptores de cavidad tienen,
en cambio, una apertura a través de la cual pasa la radiación
concentrada hasta alcanzar la superficie del receptor. La cavidad
asegura que la mayor parte de la radiación que entra sea absorbida
por la superficie interna del receptor.
Los receptores más usados para los sistemas
disco Stirling son los receptores de cavidad.
El receptor se sitúa detrás de la apertura para
reducir la cantidad de calor perdido y para disminuir la intensidad
del flujo concentrado en su superficie. La radiación concentrada que
entra a través de la apertura del receptor se difunde dentro de la
cavidad. La mayor parte de la energía es absorbida directamente por
el receptor, y prácticamente la totalidad de la restante es
reflejada o re-irradiada dentro de la cavidad para
ser posteriormente absorbida.
En un receptor de cavidad, se han identificado
dos métodos para transferir la radiación solar absorbida al fluido
de trabajo del motor Stirling.
El primer método consiste en utilizar un
receptor de tubos directamente iluminados, donde pequeños tubos a
través de los cuales circula el fluido de trabajo del motor son
situados directamente en la región donde incide el flujo solar
concentrado. Los tubos forman la superficie del receptor. De este
modo el gas de trabajo se calienta a su paso por el interior de los
tubos calentados por la radiación solar.
El segundo método, el de reflujo, usa un metal
líquido como fluido intermedio de transferencia de calor. El metal
líquido se vaporiza en la superficie posterior del receptor y se
condensa en los tubos por los que circula el fluido de trabajo del
motor. Es decir, absorbe el calor del material que forma el receptor
(que está caliente por la exposición a la radiación solar) y después
lo cede a los tubos por los que circula el gas de trabajo del motor.
Este segundo tipo de receptor se llama de reflujo porque el vapor se
condensa y vuelve para ser evaporado de nuevo.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
Un factor importante del diseño del receptor es
la exposición a condiciones severas de funcionamiento unido a
condiciones cíclicas. La alta temperatura es el factor más
importante el cual, unido al funcionamiento en ciclos, da lugar a la
fatiga térmica de los componentes. La fatiga térmica está causada
por los ciclos de temperatura, desde la temperatura ambiente a la de
operación, tanto en los arranques y paradas como durante los
momentos de nubosidad. Este tipo de ciclo puede causar fallos
prematuros del receptor. Dentro del sistema
receptor-cavidad, es especialmente sensible el
componente receptor. El diseño de receptor de tubos, que incorpora
paredes finas y opera a temperaturas uniformes durante los
transitorios, suele tener menos problemas con la fatiga térmica. La
fluencia a largo plazo de los materiales del receptor y la oxidación
son consideraciones importantes para elegir los materiales. Se
suelen utilizar superaleaciones de níquel y cromo (Inconel ®),
aceros inoxidables, aleaciones de níquel y titanio, níquel y
cobalto, etcétera.
Existen en el estado de la técnica numerosos
documentos que desarrollan distintos receptores o aspectos de los
mismos. A continuación se destacan algunos de ellos:
- -
- DE4433203 1996 HTC Solar Solar heater head for generation of electric current from solar energy (Intercambiador de calor solar para generación de corriente eléctrica). Absorbedor con material altamente conductivo y ennegrecido (oxidado) para homogeneizar la concentración de calor. Material preferiblemente de cobre, que es soldado a los tubos del intercambiador con acero inoxidable de altas prestaciones (como una camisa del tubo).
- -
- US2002059798 2002 Midwest Research Institute Dish/stirlíng hybrid-receiver (Receptor híbrido para disco Stirling). Sistema híbrido de receptor con "heat pipe" de sodio. Estructura del elemento de polvo de níquel. Describe integración con sistema de quemador (híbrido).
- -
- US6735946 2004 Boeing Direct illumination free pistón stirling engine solar cavity (Cavidad de motor Stirling con pistón directamente iluminado). Pistón directamente iluminado. Sin intercambiador de tubos. Disposición de pequeños pistones de forma concéntrica al haz solar. El receptor es un elemento metálico de material altamente conductor, como cobre, níquel o grafito. Alternativa al diseño es utilizar "heat pipes".
- -
- US6739136 2003 Boulder, CO Arvada, CO Combustión system for hybrid solar fossil fuel receiver. Sistema de combustión para un receptor solar híbrido que comprende un premezclador que combina aire y combustible para formar la mezcla a quemar. Hay un intercambiador de calor asociado y en contacto con la cámara de combustión. Este intercambiador de calor proporciona el calor para el receptor híbrido cuando no se puede utilizar el calor del sol como fuente de energía.
- -
- US6818818 2004 Plano, TX Concentrating solar energy receiver. Describe un sistema compuesto por un concentrador parabólico de alta reflectividad para reflejar los rayos del sol en su lado cóncavo y un módulo de conversión al cual llega la radiación solar concentrada. En este módulo de conversión hay dos receptores distintos; un receptor fotovoltaico y una superficie de recepción acoplada a un motor térmico para producir electricidad.
- -
- EP0996821 2000 STM Corporation Heat engine heater assembly. Se describe un equipo diseñado para utilizar tanto la radiación solar como el calor producido por la combustión de gas natural, como fuente de energía para un motor térmico. Una carcasa que forma el receptor permite la entrada de radiación solar hasta llegar al absorbedor. Series de tubos exteriores e interiores a la cámara del receptor absorben la radiación solar y transmiten calor al fluido que circula por su interior. Un quemador dentro de la cámara produce gases de combustión que también calientan estos tubos.
- -
- US4665700 1987 STM United Stirling AB Hot gas engine heater head. El objetivo del invento es proporcionar una cabeza calentadora en la cual los regeneradores estén conectados a los cilindros por tubos que rodean a esos mismos cilindros.
- -
- US4602614 1986 United Stirling, Inc. Hybrid solar/combustion powered receiver. Es un receptor mejorado que incluye un intercambiador de calor dentro de la cavidad con los tubos espaciados tangencialmente. Hay múltiples quemadores para proporcionar un camino de los gases de combustión y una ventana para sellar la apertura y no existan fugas de gas fuera del receptor.
- -
- US6668555 2003 Boeing Company Solar receiver-based power generation system. Este invento proporciona un diseño de receptor solar mejorado que reduce el coste de dichos mecanismos. El receptor solar incluye un heat pipe que tiene un fluido en su interior. El heat pipe tiene dos porciones de condensador dispuestas en dos extremos. Además se incluye un evaporador entre ambos extremos. Un colector de aire se acopla a uno de los extremos. Este colector tiene una entrada y una salida de aire. Un colector de líquido se acopla al otro extremo, con su respectiva entrada y salida.
- -
- US4911144 1990 Stirling Thermal Motor, Inc Spherical solar energy collector. Invento relativo a un colector de energía solar y en particular a uno que comprende un evaporador de un sistema de transferencia de calor de tipo heat pipe.
- -
- US4475538 1984 United Stirling AB Window for solar receiver for a solar-powered hot gas engine. Receptor solar que incluye una ventana para la entrada de la radiación solar como una mejora.
- -
- CA2490207A1 2004 Shecs Labs- Solar Hydrogen Solar energy collector. El invento es un receptor con una cavidad interna que refleja la radiación. El receptor está contenido en una atmósfera reductora o inerte para mantener las propiedades de las superficies reflexivas de la cavidad. La absorción de calor se produce en unos tubos dispuestos simétricamente respecto al eje principal del receptor. Además hay una ventana de cuarzo en la entrada del dispositivo para disminuir las pérdidas por convección.
- -
- DE19527272: Solarer Erhitzer für Stirling-Motoren. Calentador solar (1) para motor Stirling con un campo de absorción (2) de tubos paralelos (8), que se conectan a sendos colectores (4, 5) a través de los cuales circula el gas de trabajo. Siendo los tubos (8) idénticos entre ellos y de geometría en forma de lazo.
A la vista del estado de la técnica existente,
la presente invención tiene como objetivo proporcionar un receptor
solar que, superando las deficiencias encontradas en los anteriores
diseños:
- -
- aumente la resistencia a fatiga térmica,
- -
- minimice las sombras entre tubos,
- -
- que sea de tubos directamente iluminados, para simplificar el sistema evitando la inclusión de un fluido caloportador intermedio y de un intercambiador de calor adicional así como para flexibilizar el diseño óptico del concentrador y que el motor pueda funcionar en otras posiciones que no sea de espaldas al sol,
- -
- no deje huecos entre los tubos al deformarse por dilataciones, escapándose la radiación solar concentrada por dichos huecos,
- -
- fácilmente soldable,
- -
- que reduzca las pérdidas de carga.
El nuevo diseño permite pues aumentar la
eficiencia del disco y reducir los costes de fabricación y de
operación y mantenimiento. Además ofrece la posibilidad de:
- -
- refrigerar fácilmente ante sobretemperaturas (ventilador),
- -
- independizar el receptor de la cavidad y de la carcasa del aislante que lo pueda cubrir, para hacerlo más versátil y facilitar el mantenimiento,
- -
- tener la posibilidad de integrar un quemador para hibridación, es decir, añadir un quemador de gas al motor Stirling para lograr una planta híbrida donde el quemador debe generar una llama que caliente por radiación y convección los tubos del receptor; teniendo en cuenta el diseño del receptor de serpentín, la llama quedaría alojada en el hueco que definen los tubos y la transmisión de calor queda optimizada,
- -
- simplificar los procesos de fabricación y facilitar la construcción.
La invención consiste en un nuevo receptor para
disco stirling que cumpla con los requisitos anteriormente
definidos.
Los receptores diseñados comprenden los
siguientes componentes: tubos, colectores, depósitos y cúpulas.
- Tubos: Los tubos forman la superficie donde
incide el haz de luz solar concentrada. Se disponen muy próximos
unos a otros para que la superficie presente pocos huecos y se pueda
aprovechar al máximo la radiación inciden-
te.
te.
- Colectores: Los colectores son las zonas donde
se sueldan los tubos, de forma que el flujo que discurre por los
tubos se comunica con los depósitos.
- Depósitos: Los depósitos son las zonas
interiores de los colectores, desde aquí se distribuye el gas de
trabajo a cada uno de los tubos.
- Cúpulas: Existen dos cúpulas: la encargada de
alojar en su interior el regenerador (o intercambiador de calor
capaz de absorber calor del gas de trabajo, almacenarlo y
transferirlo al mismo para cerrar el ciclo siendo, de los
intercarmbiadores que contiene el motor, el que mayor volumen de
energía térmica maneja) y la cúpula de expansión (o del domo), que
es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor
temperatura.
El diseño de receptor reivindicado en esta
invención, denominado receptor de serpentín, está compuesto por una
serie de tubos que salen perpendicularmente de un colector y llegan
perpendicularmente al otro.
Las superficies donde van soldados los tubos a
los colectores son paralelas entre sí y perpendiculares a la entrada
de los tubos.
Cada tubo presenta dos curvas de 180º en su
recorrido de forma que cada tubo recorre casi tres veces la
distancia entre los dos colectores.
Concretamente, cada tubo sale del colector de
origen perpendicular y en línea recta hacia el colector de destino y
antes de llegar al colector de destino gira 180º bajando ligeramente
en altura y vuelve en línea recta, por un plano horizontal paralelo
e inferior al de la ida, hacia el colector de origen y antes de
llegar al colector de origen vuelve a girar 180º, bajando un poco
más en altura, dirigiéndose en línea recta de nuevo por un plano
horizontal paralelo e inferior hacia el colector de destino, donde
entra perpendicular y se conecta por soldadura. De esta forma, el
punto de soldadura del tubo al colector de origen se encuentra más
elevado en altura que el punto de soldadura del tubo al colector de
destino.
Por tanto, cada tubo consta de dos
semicircunferencias (las curvas de 180º) y tres partes rectas que
son: la parte central, entre curvatura y curvatura, y las dos rectas
de los extremos del tubo, que son las que se conectan a los
colectores. Las tres partes rectas son paralelas entre sí según
planos horizontales, pues se encuentran a distinta altura todas
ellas, mientras que las rectas de los extremos se encuentran en el
mismo plano vertical, paralelo al plano vertical que contiene a la
recta del centro.
Visto desde la cara de incidencia de la
radiación solar, cada tubo esta dispuesto de tal forma que las
partes rectas del tubo forman una superficie sin huecos entre tubos
y sin sombreamiento de unas partes sobre otras.
Hay dos filas verticales de agujeros en cada
colector para el soldado de todos los tubos.
En una hilera se sueldan todos los tubos que
tienen ese colector como origen y en la hilera paralela se sueldan
todos los tubos que tienen ese colector como destino, pues se va
intercalando. Esta disposición evita que los tubos de una y otra
hilera lleguen a entrar en contacto.
Este diseño del receptor en forma de serpentín
permite que al tener el tubo desarrollado en dos planos distintos,
las dilataciones (consecuencia de las altas temperaturas) están muy
poco restringidas, lo que inicialmente disminuirá la aparición de
tensiones en el tubo. Por lo tanto, a priori, este diseño
presentará pocos problemas de roturas debidas a tensiones excesivas
en el material.
La disposición en distintos planos de los tubos
permitirá además una mejor refrigeración del receptor por medio de
un ventilador cuando la temperatura del material sea excesivamente
alta. Al existir mayor hueco entre tubo y tubo la transferencia de
calor por convección entre el aire del ventilador y la superficie
exterior de los tubos sea más efectiva. El hecho de que no exista
ninguna zona de los tubos que esté sombreada por otros tubos permite
que la distribución de temperaturas a lo largo de los tubos sea más
uniforme.
La superficie vista por el haz de radiación
solar concentrada es totalmente compacta, es decir, no hay huecos
entre los tubos si se mira desde la dirección predominante en la que
incide la radiación.
Un inconveniente que se puede encontrar a este
diseño es que al aumentar la longitud de los tubos y disminuir el
área de paso global (suma de las áreas de paso de todos los tubos)
la pérdida de carga asociada aumenta. Esto podría derivar en una
pérdida de potencia del motor no cuantificada. Pero la pérdida de
potencia comentada anteriormente se ve compensada por el aumento de
la temperatura del gas. Al tener unos tubos de longitud mayor, la
temperatura que alcanza el gas tras pasar por el receptor es mayor,
para la misma temperatura superficial.
Otra ventaja más es que la fabricación de los
tubos no entraña complicaciones técnicas. El procedimiento más
sencillo sería cortar un tubo recto a la longitud adecuada y después
realizar las curvaturas y ángulos correspondientes para darle la
forma final deseada.
Tampoco la soldadura de los tubos a los
colectores plantea problemas ya que la distancia entre los agujeros
de los colectores es suficiente para maniobrar en los procesos de
soldadura sin inconvenientes.
Por todo ello y a la vista de las simulaciones
realizadas, se puede concluir que el comportamiento general de este
modelo de receptor es mucho mejor que el de los conocidos del estado
de la técnica, pues distribuye de modo eficiente las tensiones y
deformaciones provocadas por la temperatura teniendo los tubos una
flexibilidad mayor que lo conocido hasta el momento.
Otro aspecto que cabe destacar es que la
contribución de la presión del gas a las tensiones que debe de
soportar el receptor es despreciable respecto a las tensiones
causadas por las altas temperaturas. Se puede decir que los modelos
diseñados se comportan mejor que los antiguos frente a las cargas
térmicas. Sin embargo, existen puntos críticos a la fatiga en la
zona de conexión de los tubos al colector debido a que se encuentra
una zona flexible (el tubo) con una zona mucho más rígida (el
colector). Esto presenta un problema, ya que cuando el tubo se
dilata está restringido por la rigidez del colector y se crea un
punto donde puede aparecer la fractura debido a la fatiga.
Para solucionar este problema localizado hay
varias soluciones:
- -
- Reducir el espesor de la zona de conexión de los tubos para aumentar la flexibilidad del colector en esa zona.
- -
- Colocar un casquillo en el punto crítico que sirva como transición entre las dos zonas de rigideces distintas.
A la vista de los resultados obtenidos para cada
una de las tres soluciones adoptadas para mejorar la vida a fatiga
se concluye que la mejor solución a priori es la de la
colocación del casquillo ya que el número de ciclos que resiste se
multiplica por cinco con respecto al caso sin casquillo.
En cuanto al proceso de fabricación del
receptor, comprende las siguientes etapas:
- -
- Recepción de tubos.
- -
- Doblado de tubos.
- -
- Ensamblaje de tubos a colector con soldadura por horno.
- -
- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar los depósitos (realizados como unión de chapas) a los colectores.
- -
- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar las cúpulas (realizadas a partir de un bloque de material) a los depósitos.
Así pues, el modelo de receptor presentado así
como su procedimiento de fabricación, cumplen con las restricciones
de diseño y mejoran el comportamiento termo-mecánico
global de los receptores conocidos del estado de la técnica.
Para completar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la
invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1: Receptor solar del estado de la
técnica. Patente DE19527272.
Figura 2: Planta, alzado y perfil del receptor
de la invención.
Figura 3: Despiece del receptor de la
invención.
Figura 4: Vista en perspectiva de un tubo.
Figura 5: Vista lateral de un tubo.
Figura 6: Colector.
Las referencias utilizadas en las figuras
corresponden a los siguientes elementos:
- 1.
- Tubos
- 2.
- Colectores
- 3.
- Cúpula de expansión o del domo
- 4.
- Cúpula que alberga el regenerador
- 5.
- Placa para soldar el colector
- 10.
- Partes curvas de cada tubo
- 11.
- Parte recta central de cada tubo
- 12.
- Partes rectas de los extremos de cada tubo
- 20.
- Hilera de taladros del colector como origen
- 21.
- Hilera de taladros del colector como destino
- 22.
- Taladros del colector.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se van a describir los nuevos diseños de
receptor para disco Stirling, según una realización preferente.
En la figura 1 se muestra el diseño de un
receptor del estado de la técnica, correspondiente a la patente
DE19527272, en el que se puede ver que está formado por los tubos
(1), los colectores (2), la cúpula de expansión o del domo (3) y la
cúpula que alberga el regenerador (4). En este diseño los tubos (1)
son idénticos entre ellos y de geometría en forma de lazo (nota: las
referencias que aquí aparecen no se corresponden con las del
documento original, se han modificado para lograr una mayor
coherencia con la descripción de la invención reivindicada en este
documento).
El diseño preferente del receptor reivindicado y
representado en las figuras 2-6, cumple con las
siguientes características:
- -
- Materiales comerciales utilizados: Inconel 625 o Multimet.
- -
- Tubos a utilizar: diámetro exterior 3 mm. y espesor 0.5 mm.
- -
- Colectores en chapa de 3 mm.
En la figura 2 se muestran las diferentes vistas
del receptor solar modelo serpentín y en la figura 3 el despiece. Se
observa, que de la misma forma que en la patente del estado de la
técnica de la figura 1, el receptor está formado por una serie de
tubos (1), que se sujetan por ambos extremos a sendos colectores y
que descansan sobre la cúpula de regeneración (4) y la de expansión
(3). La mayor diferencia con el estado de la técnica y donde se
encuentra el gran avance con respecto a lo existente, reside en el
diseño de los tubos (1). En la realización preferente, el receptor
comprende 28 tubos (1) de 800 mm de longitud aproximadamente,
idénticos entre ellos y que salen perpendicularmente de un colector
(2) para llegar perpendicularmente al otro (2).
Las superficies o placas (5) donde van soldados
los colectores (2) son paralelas entre sí y perpendiculares a la
entrada de los tubos (1).
En la vista en planta de la invención (figura 2
abajo) como en las figuras 4 y 5 se muestra la geometría de los
tubos.
Cada tubo (1) sale del colector (2) de origen en
línea recta (12) hacia el colector (2) de destino y antes de llegar
al colector de destino gira según una curva de 180º (10) bajando
ligeramente en altura y vuelve en línea recta (11), por un plano
horizontal paralelo e inferior al de la ida (12), hacia el colector
(2) de origen y antes de llegar al colector de origen vuelve a girar
según una curva de 180º (10), bajando un poco más en altura,
dirigiéndose en línea recta (12) por un plano horizontal paralelo e
inferior, de nuevo hacia el colector (2) de destino, donde entra
perpendicular y se conecta por soldadura.
Así pues, cada tubo presenta dos curvas (10) de
180º en su recorrido de forma que cada tubo (1) recorre casi tres
veces la distancia entre los dos colectores (2).
Con esta distribución se puede decir que cada
tubo consta de tres partes rectas (12, 11, 12) y dos partes curvas
(10).
En esta realización preferente, las dos curvas
(10) son semicircunferencias de radio 11.1125 mm. y las partes
rectas son: el centro (11) (entre curvatura (10) y curvatura (10))
de 220 mm y los extremos (12) (entre curvatura (10) y salida o
entrada de un colector (2)) de 255 mm (aquí se incluyen los 3 mm de
tubo (1) que se introducen en el colector (2) para soldar).
La parte central (11), entre curvatura (10) y
curvatura (10), y las dos rectas de los extremos (12) del tubo, son
paralelas entre sí según planos horizontales, pues se encuentran a
distinta altura todas ellas, mientras que las rectas de los extremos
(12) se encuentran en el mismo plano vertical, paralelo al plano
vertical que contiene a la recta del centro (11).
Visto desde la cara de incidencia de la
radiación solar, cada tubo (1) está dispuesto de tal forma que las
partes rectas (11, 12) del tubo forman una superficie sin huecos
entre tubos y sin sombreamiento de unas partes sobre otras.
En la figura 6 se muestra el colector (2). Hay
dos hileras (20, 21) verticales de taladros (22) (cada una de 14
taladros) en cada colector (2), donde se sueldan todos los tubos
(1). En una hilera (20) se sueldan todos los tubos (1) que tienen
ese colector como origen y en la hilera paralela (21) se sueldan
todos los tubos que tienen ese colector como destino. Esta
disposición evita que los tubos de una (20) y otra hilera (21)
lleguen a entrar en contacto.
La distancia entre centros de tubos (1) de la
misma hilera vertical es igual a seis veces el diámetro del
tubo.
Este sistema está especialmente diseñado para su
aplicación en receptores de disco Stirling pero no se descarta su
extensión a otros campos de la industria que requieran
características similares.
Claims (12)
1. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling cuyos componentes principales son tubos (los cuales forman
la superficie donde incide el haz de luz solar concentrada),
colectores (se sueldan a los tubos y comunican el fluido que
discurre por los tubos con los depósitos), depósitos (son las zonas
interiores de los colectores desde donde se distribuye el gas de
trabajo a cada uno de los tubos) y cúpulas (hay de dos tipos, la
encargada de alojar en su interior el regenerador y la cúpula de
expansión que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una
mayor temperatura) caracterizado porque comprende una serie
de tubos (1) donde cada tubo (1) tiene un diseño tal que sale del
colector (2) de origen en línea recta (12) hacia el colector (2) de
destino y antes de llegar al colector de destino gira según una
curva de 180º (10) bajando ligeramente en altura y vuelve en línea
recta (11), por un plano horizontal paralelo e inferior al de la ida
(12), hacia el colector (2) de origen y antes de llegar al colector
de origen vuelve a girar según una curva de 180º (10), bajando un
poco más en altura, dirigiéndose en línea recta (12) por un plano
horizontal paralelo e inferior, de nuevo hacia el colector (2) de
destino, donde entra perpendicular y se conecta por soldadura.
2. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque las
superficies o placas (5) donde van soldados los colectores (2) son
paralelas entre sí y perpendiculares a la entrada de los tubos
(1).
3. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque cada
tubo (1) está dispuesto de tal forma que las partes rectas (11) del
tubo forman una superficie sin huecos entre tubos y sin
sombreamiento de unas partes sobre otras.
4. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 3 caracterizado porque está
formado por 28 tubos de aproximadamente 800 mm de longitud cada
uno.
5. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 4 caracterizado porque las dos
curvas (10) de 180º son semicircunferencias de radio 11.1125 mm y
las partes rectas son: el centro (11) (entre curvatura y curvatura)
de 220 mm y los extremos (12) (entre curvatura y salida de un
colector (2)) de 255 mm, incluyendo los 3 mm de tubo (1) que se
introducen en el colector (2) para soldar.
6. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los
materiales utilizados son aleaciones a base de
níquel-cromo (como los comercializados Inconel ® 625
o Multimet ®).
7. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los
tubos (1) a utilizar tienen un diámetro exterior de 3 mm. y un
espesor 0.5 mm y los colectores (2) son de chapa de 3 mm.
8. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque hay dos
hileras (20, 21) verticales de taladros (22) en cada colector (2),
en una hilera (20) se sueldan todos los tubos (1) que tienen ese
colector como origen y en la hilera paralela (21) se sueldan todos
los tubos que tienen ese colector como destino, no estando los tubos
de una (20) y otra hilera (21) en contacto.
9. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque cada
hilera vertical (20, 21) del colector (2) consta de 14 agujeros
(6).
10. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque en cada
colector (2) la distancia entre centros de tubos de la misma hilera
vertical es igual a seis veces el diámetro del tubo (1).
11. Receptor solar de serpentín para disco
Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque se
coloca un casquillo o segmento de tubo (por soldadura, sinterizado u
otros métodos) en cada uno de los tubos (1) del receptor en la zona
de unión a los colectores (2), sirviendo como transición entre las
dos zonas de rigideces distintas.
12. Método de fabricación del receptor solar de
serpentín para disco Stirling descrito en las reivindicaciones
anteriores que comprende las siguientes etapas:
- -
- Recepción de tubos.
- -
- Doblado de tubos.
- -
- Ensamblaje de tubos a colector con soldadura por horno.
- -
- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar los depósitos (realizados como unión de chapas) a los colectores.
- -
- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar las cúpulas (realizadas a partir de un bloque de material) a los depósitos.
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