ES2375006A1 - Receptor solar perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos. - Google Patents
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Abstract
Receptor solar perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos, constituido por un tubo metálico (2) interior, con recubrimiento selectivo, cubierta protectora (3) de vidrio, y compensador (4) de dilataciones térmicas con vacío en el espacio (6) entre ellos, cuyo cierre se realiza mediante el compensador (4), compuesto por tres elementos: uno soldado al tubo metálico (2), otro unido a la cubierta protectora (3) mediante adhesivo (5) y un fuelle. Para crear el vacío existe una válvula (7) instalada en la cubierta protectora (3) para conectar una bomba de vacío.
Description
Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos.
La invención, tal como expresa el enunciado de
la presente memoria descriptiva, se refiere a un receptor solar
perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos,
que aporta varias ventajas e innovadoras características, a parte de
otras inherentes a su configuración y organización, y que se
describirán en detalle más adelante, las cuales suponen una
destacable mejora frente a lo ya conocido en este campo para el
mismo fin.
Más en particular, el objeto de la invención se
centra en un receptor solar del tipo constituido por un tubo
absorbedor, cuya finalidad consiste en transformar la irradiación
solar en potencia térmica mediante el calentamiento de un fluido
térmico o calorífico que discurre por su interior, realizándose
dicha transformación mediante la incidencia concentrada de la
irradiación solar en cada colector
cilindro-parabólico adecuadamente dispuesto frente
al tubo; en que dicho tubo presenta la particularidad de contar con
una serie de perfeccionamientos que mejoran sustancialmente su
efectividad.
Concretamente, el nuevo tubo absorbedor cuenta,
entre otros aspectos novedosos, con una válvula de vacío que permite
volver a realizar el vacío entre la cubierta que lo rodea
exteriormente y el tubo metálico interior, una vez puesto en
operación, con un cierre entre la cubierta y el tubo metálico de
tipo adhesivo que ventajosamente permite, en caso de fallo, ser
fácilmente sustituido con el colector montado, sin que sea necesaria
la completa sustitución del tubo absorbedor.
El campo de aplicación de la presente invención
se encuentra dentro del sector de la industria dedicado a la
fabricación de colectores cilindro-parabólicos para
plantas termosolares.
Como es sabido, las plantas termosolares de
tecnología de colector cilindro-parabólico se basan
en la concentración de la energía solar sobre un receptor o tubo
absorbedor por medio de un. espejo colector sobre un fluido térmico,
calorífero o caloportador, del que se extrae gradualmente dicha
energía para mover una turbina y un generador.
El tubo absorbedor, generalmente, comprende los
siguientes elementos:
- Un tubo metálico interior, por cuyo interior
circula el fluido térmico, siendo generalmente de acero debido al
rango de presiones, temperaturas y solicitaciones mecánicas a las
que está sometido en condiciones de operación.
- Un recubrimiento selectivo del tubo metálico,
ya que de las características de la superficie de dicho tubo
metálico depende en gran medida la eficacia con la que se transforma
la irradiación solar reflejada por el perfil parabólico del colector
en potencia térmica en forma de fluido térmico. Por ello la
superficie del tubo metálico debe tener una absorbencia elevada en
el espectro de la radiación solar y una emisividad térmica reducida
a la temperatura de operación, función que cumple dicho
recubrimiento.
- Una cubierta protectora, cuya finalidad es
proteger los compuestos del recubrimiento selectivo del tubo
metálico de los agentes atmosféricos (humedad ambiental y oxígeno,
principalmente) por los que presenta una baja permeabilidad a los
gases de la atmósfera, permitir al máximo posible el paso de la
radiación solar, por lo que tiene una elevada transmisividad a la
radiación solar (longitudes de onda inferiores a 2,5 \mum, y
reducir, en la medida de lo posible, las pérdidas térmicas del tubo
metálico al ambiente, por lo que tiene una reducida transmisividad a
la radiación infrarroja, siendo el material más apropiado y
generalmente utilizado el vidrio boro silicato de contenido bajo de
álcalis, comúnmente denominado "Pirex".
- Un recubrimiento
anti-reflectante de la cubierta protectora, para
mejorar las cualidades ópticas del vidrio, aplicado tanto a su
superficie exterior como interior, el cual presenta, dadas las
condiciones de trabajo a las que está expuesto, una elevada adhesión
al vidrio.
- Un compensador de dilataciones térmicas, ya
que la dilatación del tubo de vidrio o cubierta protectora y del
tubo de metal es diferente en condiciones de operación. Esta
diferencia es absorbida por este componente para minimizar tensiones
mecánicas en ambos elementos.
- Creación y conservación de vacío en el espacio
anular entre el tubo metálico y la cubierta protectora de vidrio.
Para eliminar las pérdidas por convección natural entre el tubo
metálico y el tubo de vidrio, opcionalmente, se puede crear un
cierto grado de vacío en el espacio comprendido entre ambos tubos.
Para mantener este grado de vacío, convencionalmente se suele
instalar un dispositivo, denominado "setter", capaz de absorber
las moléculas de hidrógeno producto de la degradación térmica del
aceite que migren desde el interior del tubo metálico hasta el
espacio anular. El soporte de los "getters" suele tener un
diseño especial, dado que deben colocarse en la parte más fría del
tubo metálico.
- Cierre de la cubierta protectora con el tubo
metálico, el cual se debe realizar de tal manera que permita
mantener el vacío anteriormente descrito existente en el espacio
anular del tubo absorbedor, haciendo que dicho espacio sea
totalmente estanco. Este cierre, generalmente, se realiza mediante
una soldadura vidrio-metal o mediante la utilización
de un elastómero o similar.
En la actualidad, y como referencia al estado de
la técnica, cabe señalar que, por parte del solicitante, se tiene
conocimiento de la existencia de diversos tipos de receptores del
tipo que aquí concierne, entre los que se puede destacar como más
relevantes los descritos en las siguientes patentes:
ES2125828, que divulga un sistema de colectores
solares de ranuras en las que el absorbedor está compuesto por un
tubo de conducción por el que circula el fluido que transporta el
calor y un tubo envolvente exterior de forma que existe un espacio
anular entre ambos. Puesto que los tubos son de diferente material y
los absorbedores trabajan a altas temperaturas, existen diferencias
de comportamiento de los mismos y también de irradiación en
determinadas zonas. Como solución se propone llenar este espacio
anular con un medio que una térmicamente ambas zonas.
ES2259254, que divulga un receptor para
colectores solares constituido por dos tubos, el interior es el tubo
de absorción, y el exterior, de vidrio, es el tubo envolvente. Este
tubo envolvente comprende una estructura que enfoca sobre el tubo de
absorción para mejorar el rendimiento del sistema, siendo posible
colocar esta estructura en el lado interno o externo del tubo. Como
opciones de geometrías, se proponen una pluralidad de prismas o una
lámina en forma de dientes de sierra.
ES2251320, que divulga un colector cóncavo
parabólico cuyo absorbedor comprende unos compensadores de
dilatación para amortiguar los diferentes comportamientos frente a
la radiación del tubo absorbedor y del tubo envolvente que lo rodea.
También incluye un collar reflector que refleja la radiación solar
en la zona activa del absorbedor para mejorar la eficiencia del
sistema.
WO2007076578, que divulga un sistema de
colectores cilindro parabólicos con un absorbedor formado a partir
de un tubo metálico por el que circula el fluido rodeado de un tubo
de vidrio. También incluye un elemento de vacío en forma de casco
que puede situarse en la parte exterior del tubo de vidrio o en la
parte interior, mediante unos soportes. Este casco es de material
aislante térmicamente como fibra de vidrio o de roca, poliuretano,
etc. y tiene una película que refleja la radiación emitida por el
tubo absorbedor.
US5460163, que divulga un colector para sistemas
solares cuyo absorbedor presenta la característica de actuar como
una cámara de vaporización. Está formado por dos tubos concéntricos
y en la cámara anular existente entre ambos se forma vapor que es
condensado en la superficie exterior del tubo interior y evacuado en
una estructura ubicada en la zona interna del tubo exterior.
US2004055593, que divulga un absorbedor para
colectores cilindro parabólicos formado por un tubo exterior de
vidrio en cuyo interior se ha conseguido el vacío y en el que se
sitúa el tubo absorbedor propiamente dicho. Este elemento se sitúa
excéntricamente con respecto al tubo exterior, y está formado por un
tubo de absorción por el que circula el fluido de trabajo, contando
con unas láminas de absorción soldadas al interior y con forma curva
para dirigir los rayos solares hacia el tubo. A su vez, el
absorbedor está rodeado de un canal de reflexión que redirige la
radiación reflejada por el absorbedor de nuevo hacia él. En este
canal existe un hueco en la línea focal del colector por el que
penetran los rayos del
sol.
sol.
DE10033240, que divulga un tubo absorbedor par
sistemas colectores de energía solar, formado por un tubo exterior y
un tubo interior por donde circular el fluido de trabajo en el que,
como en la patente anterior, el tubo interior está descentrado con
respecto al eje del tubo exterior. La configuración propuesta indica
que la superficie interna del tubo exterior está parcialmente
ocupada por unos espejos, y que el tubo absorbedor está alejado del
eje en dirección opuesta a dichos espejos. La configuración se
completa con una lámina que actúa como absorbedor plano.
DE102006056536, que divulga un absorbedor, y un
método para producirlo, para colectores parabólicos en el que existe
una capa de protección reflectante que, en este caso, refleja las
ondas en el rango infrarrojo. Esta capa protectora se configura a
partir de dos capas, y está compuesta por oro, plata, platino o
cobre.
US2008087277, que divulga un sistema de
colectores solares cilindro parabólicos en los que el absorbedor
está formado por un tubo central de metal, rodeado de un tubo de
material transparente, estando el espacio entre ambos tubos vacío.
Para compensar diferencias de expansión de los dos tubos debido a
las altas temperaturas de trabajo del absorbedor, se proponen
compensadores en forma de fuelle o de membrana, que van unidos sólo
a uno de los tubos, utilizándose una pieza intermedia como unión con
el otro tubo.
US2007034204, que divulga un tubo absorbedor
para su uso en colectores parabólicos que consta de un tubo central
metálico, un tubo de vidrio rodeándolo y una estructura de fuelle
como elemento de compensación de expansiones que permite el
movimiento relativo de ambos tubos. Existe un elemento de conexión
de la parte interna del elemento de fuelle con el tubo central y que
se extiendo en el espacio anular entre ambos. Entre el elemento
compensador y el tubo exterior existe un elemento de relleno
absorbente.
Así pues, se constata que en los tubos
convencionales, generalmente, el cierre de la cubierta protectora
con el tubo metálico interior se realiza mediante una soldadura
vidrio-metal, y que el vacío en el espacio anular
entre ambos elementos, cuando existen, se mantiene mediante la
instalación de "getters".
Esta soldadura presenta los siguientes
inconvenientes:
- Además de ser compleja de realizar, sólo se
puede realizar en un taller muy especializado.
- Es un proceso industrial con un rendimiento
muy reducido, ya que sólo seis de cada diez soldaduras que se
realizan son satisfactorias.
- Es el punto más común de ruptura de los tubos
absorbentes durante la operación.
En los tubos convencionales, una vez se rompe
esta soldadura, entra aire en el espacio comprendido entre el tubo
metálico y la cubierta de vidrio, degradándose rápidamente la
superficie selectiva y aumentando las pérdidas térmicas por
convección. Esto provoca que sea necesaria la sustitución del tubo
absorbedor por uno nuevo, ya que no tiene reparación una vez
instalado en el colector.
El cambio de un tubo absorbedor en un colector
es un proceso que requiere mano de obra, aparte de inutilizar el
lazo completo de colectores durante aproximadamente dos días, dado
que se requiere drenar todo el lazo de fluido térmico, con la
pérdida de potencia térmica asociada.
Por otro lado, los tubos absorbedores van
perdiendo vacío paulatinamente debido a imperfecciones microscópicas
de sus elementos, lo que hace que al cabo del tiempo haya aire
dentro del tubo, a pesar de no haber fallado la soldadura
vidrio-metal. En este caso, en los absorbedores
conocidos, también debe cambiarse el tubo, ya que en ellos no es
económicamente viable la reposición del vacío de nuevo, se precisa
un tubo de vidrio nuevo, unos "getters" nuevos, dos soldaduras
vidrio-metal adicionales a realizar en un taller
especializado, etc.
Es, por tanto, objetivo esencial de la presente
invención crear un tubo absorbedor perfeccionado que solvente de
forma práctica y económica los inconvenientes anteriormente
señalados que presentan los actualmente conocidos en el mercado,
mediante la incorporación de un cierre entre la cubierta protectora
de vidrio y el tubo metálico interior que siendo igualmente estanco
sea de fácil realización, así como la incorporación de un sistema
que permita mantener el vacío en el espacio entre ambos elementos de
forma rápida y simple.
Así, receptor solar perfeccionado para
colectores cilindro-parabólicos que la presente
invención propone se configura, como una destacable novedad dentro
de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su creación, se
consigue, de forma taxativa, solventar satisfactoriamente los
objetivos anteriormente señalados como idóneos, estando los detalles
caracterizadores que lo hacen posible y que lo distinguen,
adecuadamente recogidos en las reivindicaciones finales que
acompañan a la presente memoria descriptiva.
De forma concreta, el receptor solar
perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos
que la invención preconiza se configura de forma convencional a
partir de esencialmente a partir de un tubo metálico interior,
constituyente del tubo absorbedor propiamente dicho, por cuyo
interior circula el fluido térmico, y que, preferentemente, está
realizado en acero.
Para que la conversión fototérmica sea
eficiente, dicho tubo metálico cuenta, exteriormente, con un
recubrimiento selectivo con una elevada capacidad de absorción en el
espectro de la radiación solar, y una emisividad térmica reducida a
la temperatura de operación, habiéndose previsto para ello que dicho
recubrimiento sea químicamente estable en presencia de aire y a una
temperatura de hasta 450ºC.
Siguiendo con la invención, sobre el tubo
metálico se contempla una cubierta protectora constituida por un
tubo de vidrio, cuya finalidad consiste, esencialmente, en proteger
los compuestos del recubrimiento selectivo previsto en la superficie
del tubo metálico, permitiendo una elevada transmisividad de la
radiación solar y una reducida transmisividad a la radiación
infrarroja para minimizar pérdidas térmicas al ambiente.
Además, para mejorar las cualidades ópticas del
vidrio, a la superficie exterior e interior de la descrita cubierta
protectora se le aplica un tratamiento
anti-reflectante que será de elevada adhesión, dadas
las condiciones de trabajo a las que está expuesto.
El receptor solar cuenta, también de forma
convencional, con un compensador de dilataciones térmicas destinado
a absorber la diferencia de longitudes de dilatación que, en
condiciones de operación, presentan la cubierta protectora de vidrio
y el tubo metálico interior, el cual está compuesto por tres
elementos: uno rígidamente unido al tubo metálico, otro rígidamente
unido a la cubierta protectora y otro constituido por un fuelle, que
es el que realmente absorbe la citada diferencia de longitudes.
El cierre de la cubierta protectora con el tubo
metálico, ya de forma caracterizadora, se realiza teniendo como
elemento intermedio al compensador de dilataciones térmicas, el cual
va rígidamente unido al tubo metálico mediante soldadura, mientras
que se une a la cubierta protectora mediante un adhesivo aplicado
mediante un método especialmente desarrollado para tal fin.
Por otra parte, para eliminar las pérdidas
térmicas por convección natural entre el tubo metálico y la cubierta
protectora de vidrio, se crea vacío en el espacio anular comprendido
entre ambos elementos. Dicho vacío se crea a través de una válvula
instalada en la cubierta protectora. Para ello, en dicha válvula se
conecta una bomba de vacío, cuando inicialmente se pone el tubo
absorbente o receptor solar en operación, permitiendo repetir dicha
operación cada cierto tiempo, según convenga, sin necesidad de
desmontar el receptor solar.
El descrito receptor solar perfeccionado para
colectores cilindro-parabólicos representa, pues,
una estructura innovadora de características estructurales y
constitutivas desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que
unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente
para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, se acompaña a la presente memoria
descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de
planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha
representado lo siguiente:
La figura número 1.- Muestra una vista en alzado
de un ejemplo de realización del receptor solar perfeccionado para
colectores cilindro-parabólicos objeto de la
invención, en la que se aprecian las principales partes de que
consta, así como la configuración y disposición de las mismas.
A la vista de la descrita figura 1 y única, y de
acuerdo con la numeración adoptada en ella, se puede observar como
el receptor solar (1) preconizado se configura esencialmente a
partir de un tubo metálico (2) interior, constituyente del tubo
absorbedor propiamente dicho, por cuyo interior circula el fluido
térmico, y que, preferentemente, está realizado en acero, contando
con un diámetro externo que abarca un rango de entre 70 mm y 105
mm.
Dicho tubo metálico (2) cuenta, exteriormente,
con un recubrimiento selectivo que es químicamente estable en
presencia de aire y a una temperatura de hasta 450ºC.
Dispuesta sobre el tubo metálico (2) se
contempla una cubierta protectora (3) constituida por un tubo de
vidrio, cuya finalidad consiste, esencialmente, en proteger los
compuestos del recubrimiento selectivo previsto en la superficie del
tubo metálico (2), permitiendo una elevada transmisividad de la
radiación solar y una reducida transmisividad a la radiación
infrarroja para minimizar pérdidas térmicas al ambiente.
Esta cubierta protectora (3) presenta,
preferentemente, un diámetro de entre 125 mm y 187,5 mm.
Para mejorar las cualidades ópticas del vidrio,
a la superficie exterior e interior de la citada cubierta protectora
(3) se le aplica un tratamiento anti-reflectante de
elevada adhesión.
El receptor solar (1) cuenta, además, con un
compensador (4) de dilataciones térmicas destinado a absorber la
diferencia de longitudes de dilatación que presentan la cubierta
protectora (3) de vidrio y el tubo metálico (2) interior, estando,
dicho compensador (4) compuesto por tres elementos: uno rígidamente
unido al tubo metálico (2), otro rígidamente unido a la cubierta
protectora (3) y otro constituido por un fuelle, y que es el que
realmente absorbe la citada diferencia de longitudes.
Es importante destacar que el cierre de la
cubierta protectora (3) con el tubo metálico (2), y ya de forma
caracterizadora, se realiza teniendo como elemento intermedio al
descrito compensador (4) de dilataciones térmicas, el cual, va unido
al tubo metálico (2) mediante soldadura, mientras que se une a la
cubierta protectora (3) mediante un adhesivo (5).
Por otra parte, para eliminar las pérdidas
térmicas por convección natural entre el tubo metálico (2) y la
cubierta protectora (3) de vidrio, se crea vacío en el espacio
anular (6) comprendido entre ambos elementos, contando, para la
creación de dicho vacío con una válvula (7) instalada en la cubierta
protectora (3). En dicha válvula (7) se conecta una bomba de vacío,
cuando inicialmente se pone el tubo absorbente o receptor solar (1)
en operación, y cada cierto tiempo, según convenga.
Descrita suficientemente la naturaleza de la
presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se
considera necesario hacer más extensa su explicación para que
cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas
que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su
esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de
realización que difieran en detalle de la indicada a título de
ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se
recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio
fundamental.
Claims (5)
1. Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos, del tipo constituido por un
tubo metálico (2) interior, constituyente del tubo absorbedor
propiamente dicho, por cuyo interior circula el fluido térmico, con
recubrimiento selectivo, una cubierta protectora (3) de vidrio, con
tratamiento anti-reflectante de elevada adhesión, y
un compensador (4) de dilataciones térmicas que cierra uniendo
herméticamente ambos elementos existiendo un vacío en el espacio
anular (6) existente entre el tubo metálico (2) y la cubierta
protectora (3), caracterizado por el hecho de que el cierre
de la cubierta protectora (3) de vidrio con el tubo metálico (2),
que se realiza mediante el compensador (4) de dilataciones térmicas,
se consigue de manera que dicho compensador (4), compuesto por tres
elementos: uno rígidamente unido al tubo metálico (2), otro
rígidamente unido a la cubierta protectora (3) y otro constituido
por un fuelle que absorbe la citada diferencia de longitudes, va
unido al tubo metálico (2) mediante soldadura, y a la cubierta
protectora (3) mediante un adhesivo (5).
2. Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que, para crear el vacío en el
espacio anular (6) comprendido entre la cubierta protectora (3) de
vidrio y el tubo metálico (2) interior, existe una válvula (7)
instalada en la cubierta protectora (3) la cual es apta para que se
conecta una bomba de vacío.
3. Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el recubrimiento selectivo
con que cuenta exteriormente el tubo metálico (2) es químicamente
estable en presencia de aire y a una temperatura de hasta 450ºC.
4. Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el tubo metálico (2)
interior cuenta con un diámetro externo que abarca un rango de entre
70 mm y 105 mm.
5. Receptor solar perfeccionado para colectores
cilindro-parabólicos, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la cubierta protectora (3)
de vidrio cuenta con un diámetro externo que abarca un rango de
entre 125 mm y 187,5 mm.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| ES200802897A ES2375006B1 (es) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | Receptor solar perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos. |
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| ES200802897A ES2375006B1 (es) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | Receptor solar perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| ES2375006B1 ES2375006B1 (es) | 2013-01-24 |
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ID=42106968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200802897A Expired - Fee Related ES2375006B1 (es) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | Receptor solar perfeccionado para colectores cilindro-parabólicos. |
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| ES (1) | ES2375006B1 (es) |
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