ES2378198A1 - Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar. - Google Patents
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Abstract
Nueva disposición de getter no evaporable para
tubo colector solar, siendo el tubo colector de los que comprenden
un tubo exterior de vidrio (2), un tubo interior metálico (3) por
donde circula el fluido caloportador, una cámara de vacío entre
ambos tubos y en los extremos, pastillas de getter no evaporable (1)
que absorben las posibles moléculas de gas que originan pérdida de
vacío entre el tubo interior (3) y el exterior (2) y sendas tapas
(8) donde se coloca un dispositivo compensador de expansión tipo
fuelle (4), denominado bellow, los tubos interior metálico (3) y
exterior de vidrio (2) se colocan de manera excéntrica, dejando una
zona más amplia que otra en la tapa (8) siendo ese espacio más ancho
el que se utiliza para la colocación, mediante pegado, de las
pastillas de getter no evaporable (1).
Description
Nueva disposición de getter no evaporable para
tubo colector solar.
La presente invención se encuadra dentro del
sector de la energía termosolar, concretamente dentro de los
desarrollos de tubos colectores solares y más detalladamente se
centra en la posible ubicación de los getter no evaporables o
evacuadores de vacío dentro de este tipo de tubos colectores.
Los getters son materiales sólidos, aleaciones
de diferentes metales, capaces de absorber químicamente moléculas de
gas en su superficie. Son ampliamente usados para una variedad de
aplicaciones como en aceleradores de partículas, tubos de vacío,
sistemas de purificación de gas inerte, etcétera.
El getter no evaporable de la invención será
utilizado en un tubo de vacío de los que se emplean como receptores
solares. En general, estos receptores constan de dos tubos
concéntricos entre los cuales se genera el vacío. El tubo interior,
por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo
exterior es de vidrio habitualmente de borosilicato.
Entre ambos tubos se coloca un dispositivo
compensador de expansión en forma de fuelle, de manera que permite
el movimiento relativo entre el tubo metálico y de vidrio,
absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia
existente entre los coeficientes de dilatación de ambos y
garantizando así el vacío.
Además del dispositivo compensador de expansión,
este tipo de tubos requiere la instalación de materiales que
detecten y supriman las moléculas de hidrógeno que pueden
introducirse en la zona del vacío. Estas moléculas se producen por
la degeneración térmica que sufre el aceite que se utiliza como
fluido caloportador y que circula por el interior del tubo
metálico, debido a las altas temperaturas que alcanza. Estas
moléculas acaban pasando a través del tubo metálico y entrando en
la zona de vacío, aumentando las pérdidas térmicas y en
consecuencia, disminuyendo de manera importante la eficiencia del
sistema.
Es por eso que siempre se instalan aleaciones
del tipo getter no evaporable en la zona de vacío para que, en el
caso de que haya alguna molécula de H_{2}, sea captada por la
superficie de este material.
En los desarrollos conocidos hasta el momento
existen diferentes diseños de getter no evaporables que se ubican en
distintas localizaciones dentro de la zona de vacío.
Un ejemplo se encuentra en la patente US
2007034204 A1 de SCHOTT. En este documento el getter no evaporable
está dispuesto en un espacio anular exterior entre el dispositivo
compensador de expansión y el elemento de transición
vidrio-metal. El getter es protegido de la radiación
solar incidente por el elemento de transición
vidrio-metal y de la radiación reflejada, por el
dispositivo compensador de expansión. Así pues, queda una estructura
que radialmente, de dentro a fuera, está compuesta por el tubo de
metal, elemento de conexión, dispositivo compensador de expansión,
getter no evaporable, elemento de transición
vidrio-metal y tubo de vidrio.
Esta disposición tiene una serie de
inconvenientes como son: aumento del diámetro mínimo necesario de
tubo de vidrio para albergar todos esos elementos en su interior,
someter al getter a los esfuerzos mecánicos que sufre el fuelle de
compensación de expansión o bellow, necesidad de introducir las
pastillas redondas de getter en una vaina y con una malla protectora
que roza con el dispositivo de compensación de expansión y, en el
caso de necesitar más cantidad de material para aumentar la
absorción, no queda más remedio que aumentar el tamaño o el número
de las pastillas de getter, lo que implica aumentar diámetro del
tubo de vidrio.
Además, como sólo se instala en uno de los dos
extremos del tubo, supone que el tubo tenga distinta geometría a
ambos lados. Por todo ello, el montaje es muy artesanal y no hay
forma de automatizarlo pues, adicionalmente, las pastillas que
forman el getter son finas y muy frágiles.
Otro ejemplo se encuentra en el desarrollo de la
empresa SOLEL SOLAR SYSTEMS LTD, que ubica los getter a lo largo
del tubo, alejándose de las tapas, como en el documento IL153872 A,
donde coloca un soporte dentro del área de vacío y a lo largo del
tubo absorbedor donde coloca las pastillas de getter. Eso conlleva a
una pérdida de eficiencia pues se disminuye radicalmente la
superficie útil para captación de radiación solar.
Así pues, la presente invención tiene como
objetivo proporcionar un nuevo diseño para ubicar el getter no
evaporable de los tubos absorbedores de manera que se consiga
todavía mayor facilidad de montaje que en el anterior, sin dejar de
solventar todos los inconvenientes descritos del estado de la
técnica, incluso aumentando la rigidez del tubo y sin disminuir la
eficiencia del sistema.
La invención consiste en una nueva disposición
de getter para tubo colector solar, así como varias modificaciones
en el resto del tubo, mayoritariamente en sus extremos, acordes con
esta nueva disposición.
La función del getter no evaporable, a pesar de
su importancia, no ha de interferir con el principal propósito del
tubo receptor que es la de maximizar su rendimiento térmico. Su
disposición ha de permitir esta situación sin comprometer su función
de garantizar el correcto envejecimiento del producto.
Como se ha comentado anteriormente, por sus
diversas ubicaciones en el estado de la técnica, originaba una
geometría de carcasa diferente en cada uno de los dos extremos para
poder alojarlo, que a su vez condicionaba el valor del diámetro del
cilindro de vidrio o borosilicato.
Para solventar los problemas encontrados en el
estado de la técnica conocido, se han desarrollado nuevas propuestas
de diseño vinculadas a la geometría y disposición, tanto del tubo
colector, como del conjunto de getters no evaporables.
Estas nuevas propuestas son:
1. Nueva geometría con tubo metálico similar al
actual pero con tubo de vidrio de mayor diámetro y con una
excentricidad definida respecto al tubo metálico en función de la
óptica del colector. La excentricidad del tubo permite mejorar el
comportamiento óptico del tubo receptor por cuanto el tubo de vidrio
puede aprovecharse como sustrato para añadir un reconcentrador de
la radiación solar mediante un espejado parcial, que se comenta a
continuación.
2. El tubo de vidrio nuevo está parcialmente
espejado. La zona espejada se convierte en una superficie óptica
con tolerancias que deben ser minimizadas y controladas pues
irregularidades excesivas en esta superficie óptica pueden provocar
que los rayos reflejados no alcancen el tubo metálico. El espejado
puede aplicarse directamente sobre la cara interior del tubo de
vidrio o espejando directamente sobre la cara exterior del tubo de
vidrio o añadiendo un film o espejo fino sobre cualesquiera de las
caras interior o exterior del tubo de vidrio.
3. La radiación solar llega al tubo metálico en
todo el perímetro. La distribución de flujo no es uniforme en el
perímetro; el flujo de calor es mayor en el perímetro que se
encuentra directamente enfrentado al reflector primario. Estas
nuevas condiciones de contorno provocan que el estado tensional
generado ante esta nueva carga térmica sea diferente de la conocida
en el estado de la técnica.
4. El tubo metálico y el tubo de vidrio deben
estar en sección siempre en la misma posición pues cualquier
desplazamiento relativo puede provocar que los rayos se escapen.
Como el tubo metálico y el tubo de vidrio tienen coeficientes de
dilatación térmica diferentes y la geometría de los tubos cambia, el
elemento compensador de dilataciones (bellow) deberá permitir, ante
la nueva carga térmica definida en el punto 3, la deformación axial
relativa entre ambos tubos, a la vez que se asegure el control de
los desplazamientos relativos entre el tubo metálico y el de vidrio
fuera de su eje. Para ello un nuevo concepto de bellow debe ser
desarrollado con frontal con espesores variables y rigidizaciones
locales (nervios).
5. Nuevo concepto de getter. La nueva geometría
de bellow origina nuevos conceptos de disposición de las pastillas
de getter así como la excentricidad de los tubos, generan un espacio
libre en las tapas que se aprovechará para la nueva ubicación del
getter, de manera que se solventen los problemas encontrados en el
estado de la técnica con las disposiciones anteriores.
Conocidas las necesidades en cuanto a la
cantidad de materia de getter para tubos de 4 m. de longitud y una
vida media de 25 años de planta, si esta cantidad se reparte entre
los dos extremos del tubo, ya no es necesario recurrir a su
disposición en una parte exterior del tubo receptor, ni se
requerirían geometrías toroidales en ambos extremos. De esta forma
se puede optimizar un espacio que de otra forma se perdería al no
utilizar más que un lado del tubo receptor para ubicarlos.
Con respecto a la geometría, el sistema de
getters de la invención se forma a base de pastillas estándar sin
necesidad de hacer una fabricación particular para este desarrollo
que se van a adherir a la parte baja de las tapas, en ese espacio
que queda debido a la excentricidad, evitando el tener que disponer
de una vaina y una malla protectora en la que se albergan las
pastillas.
Además, de esta manera se mantiene una simetría
en el tubo puesto que ambos extremos del tubo quedan idénticos,
suponiendo esta simetría una ventaja térmica y de fabricación,
gracias a la unificación de componentes.
También se logra una optimización del tubo,
utilizando el hueco de la tapa que se crea debido a la
excentricidad existente entre el tubo metálico interno y el tubo de
vidrio externo.
Esta nueva disposición también implica que si se
quiere aumentar la cantidad de getter, no se requiere más que
aumentar el número de pastillas que se adhieren a la tapa, pues en
ese sentido hay espacio suficiente, y se evita el tener que aumentar
el diámetro del tubo de vidrio para añadir más pastillas, con la
ventaja añadida de que el presente desarrollo admite pastillas de
cualquier geometría.
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. Estado de la técnica Solel Solar
System.
Figura 2. Estado de la técnica Solel Solar
System LTD (IL153872 A).
Figura 3: Estado de la técnica Schott (US
2007034204 A1).
Figura 4: Excentricidad de los tubos de la
invención.
Figura 5: Perspectiva interior del extremo del
tubo.
Figura 6: Perspectiva exterior del extremo del
tubo.
Figuras 7-9: Diseños
alternativos de los extremos del tubo.
Las referencias que en las figuras aparecen
representan:
- (1)
- Getter no evaporable.
- (2)
- Tubo exterior de vidrio.
- (3)
- Tubo interior metálico.
- (4)
- Dilatador o elemento compensador de expansión o bellow.
- (5)
- Nervios.
- (6)
- Zonas de espesor variable.
- (7)
- Zona espejada.
- (8)
- Tapa del tubo colector solar.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir la nueva disposición de
getter no evaporable para tubo colector solar, según una serie de
realizaciones preferentes.
Para lograr una mejor comprensión de la
problemática existente en la actualidad, se muestran en las figuras
1-3 distintos diseños del estado de la técnica (las
referencias de dichas figuras no se corresponden con las originales,
se han unificado para mejor comprensión del documento).
La figura 1 representa una solución utilizada
por la empresa Solel Solar Systems Ltd y que implica el tener el
getter no evaporable (1) instalado en el espacio vacío que queda
entre el tubo de vidrio (2) y el tubo metálico (3).
La figura 2 muestra otra solución de la misma
empresa, Solel Solar Systems Ltd, situando en este caso el getter
(1) en un dispositivo de sujeción de las pastillas, el cual se apoya
sobre dos soportes sobre el tubo metálico (3) y recorre parte del
tubo en sentido longitudinal.
En la figura 3 se muestra el tubo ideado por
Schott. En este se sitúa el getter (1) en uno de los dos extremos,
metiendo las pastillas en una malla de sujeción en forma de
anillo.
En cuanto a la invención que aquí se reivindica
se caracteriza, entre otros aspectos, por la excentricidad existente
entre el tubo metálico (3) y el tubo de vidrio (2), tal y como se
observa en las figuras 4 a 6.
En las figuras 4 y 6 se observa la excentricidad
comentada así como se aprecia, en el caso de la figura 4, la zona
del tubo de vidrio (2) que se espeja (7), para mayor captación de la
radiación solar.
En la figura 5 además de la excentricidad entre
tubos (2, 3) se muestran una serie de nervios (5) radiales y
equidistantes con los que se fabricarían las tapas del tubo colector
para aumentar su rigidez. El tubo de vidrio (2) es de diámetro mayor
al de los tubos comerciales actuales y está parcialmente espejado y
situado de manera excéntrica respecto al tubo metálico, además tiene
un coeficiente de dilatación diferente a este último, que
normalmente se fabrica en acero (3). Por tanto, el elemento
compensador de dilataciones (bellow) (4) deberá permitir, ante la
nueva carga térmica definida anteriormente (descripción de la
invención, punto 3) la deformación axial relativa entre ambos tubos
(2, 3), a la vez que anula los desplazamientos relativos entre el
tubo de metálico (3) y el de vidrio (2).
Otra forma de aumentar la rigidez de las tapas
sería fabricar estas con espesor variable dependiendo de la zona de
la tapa de que se trate.
Incluso se pueden combinar ambas soluciones para
asegurar una rigidez completa del sistema.
En las figuras 7-9 se muestran
tres diferentes soluciones para la invención reivindicada.
En el caso de la figura 7 se representan dos
vistas, alzado y sección por A, para una configuración en la que la
tapa (8) tiene espesor constante pero se le han añadido una serie
de nervios (5) radiales. En la tapa (8), donde hay mayor espacio
debido al mayor diámetro del tubo de vidrio y a la excentricidad de
los tubos (2, 3), se han pegado las pastillas de getter (1) las
cuales, gracias a este ventajoso método de colocación, admiten
cualquier tipo de geometría y no requieren ningún elemento
adicional de sujeción.
En la figura 8 el diseño es muy similar, con
tapa (8) de espesor constante y nervios (5) radiales, aunque en este
caso los nervios (5) cambian su geometría ligeramente y se les
proporciona espesor variable, de manera que sean más gruesos por un
extremo que por el otro. En el caso de la realización preferente es
más fina la zona que está más cerca del centro, optimizando así la
geometría de la tapa y minimizando el aporte de material. En cuanto
a las pastillas de getter (1), al igual que en el caso anterior,
pueden tener cualquier geometría pues se adhieren a la tapa en los
huecos entre nervios (5), en la zona más ancha debida a la
excentricidad de los tubos.
En la figura 9 el diseño consiste en realizar la
tapa (8) de espesor variable (6) según las zonas que requieran mayor
rigidez y adherir las pastillas de getter (1) a la tapa (8). Las
pastillas (1) pueden tener cualquier geometría aunque en la figura 9
se han representado todas ovaladas.
Aunque no esté representado en ninguna figura,
se podría contar con otro diseño en el que la tapa (8) tuviese
espesor variable (6) y además nervios (5) y las pastillas de getter
(1) se pegarían en los huecos.
Esta nueva disposición de getter no evaporable
está diseñado especialmente para su aplicación en tubos de vacío
receptores de energía solar, pero no se descarta su extensión a
otros campos de la industria que requieran características
similares.
Claims (12)
1. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar, siendo el tubo colector de los que
comprenden un tubo exterior de vidrio (2), un tubo interior metálico
(3) por donde circula el fluido caloportador, una cámara de vacío
entre ambos tubos y en los extremos, pastillas de getter no
evaporable (1) que absorben las posibles moléculas de gas que
originan pérdida de vacío entre el tubo interior (3) y el exterior
(2) y sendas tapas (8) donde se coloca un dispositivo compensador de
expansión tipo fuelle (4), denominado bellow, caracterizado
porque los tubos interior metálico (3) y exterior de vidrio (2) se
colocan de manera excéntrica, dejando una zona más amplia que otra
en la tapa (8) siendo ese espacio más ancho el que se utiliza para
la colocación, mediante pegado, de las pastillas de getter no
evaporable (1).
2. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 1 caracterizado
porque la tapa (8) se refuerza con una serie de nervios radiales
(5).
3. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 2 caracterizado
porque los nervios (5) son equidistantes.
4. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 2
caracterizado porque los nervios (5) son de espesor
variable.
5. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 4
caracterizado porque el extremo más fino del nervio (5) es el
que está más cerca del centro de la tapa (8).
6. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 1
caracterizado porque la tapa (8) es de espesor variable (6)
según las distintas zonas.
7. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 1 caracterizado
porque la tapa (8) es de espesor variable (6) y además tiene nervios
(5).
8. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 2 ó 7
caracterizado porque las pastillas de getter (1) se adhieren
en el espacio que queda libre entre los nervios (5).
9. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores caracterizado porque a una zona del tubo exterior
de vidrio (2) se le realiza un espejado (7).
10. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado
porque el espejado puede aplicarse directamente sobre la cara
interior del tubo de vidrio.
11. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado
porque el espejado se realiza directamente sobre la cara exterior
del tubo de vidrio.
12. Nueva disposición de getter no evaporable
para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado
porque el espejado se realiza añadiendo un film o espejo fino sobre
cualesquiera de las caras interior o exterior del tubo de
vidrio.
Priority Applications (7)
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