ES2381698A1 - Colector solar con receptor multitubular, plantas termosolares que contienen dicho colector y método de operación de dichas plantas. - Google Patents
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Abstract
Colector solar con receptor multitubular, plantas termosolares que contienen dicho colector y método de operación de dichas plantas donde los receptores multitubulares cuentan con un reflector primario (5) formado por dos curvas paramétricas simétricas y continuas, un reconcentrador secundario (6) y un receptor (1) que comprende varios tubos (7) unidos de sección circular, situándose el centro de gravedad del colector muy próximo al eje de giro del propio colector y siendo la relación de concentración C/Cmax mayor de 0,63, con una eficiencia de colección del 100% y con un número máximo de reflexiones de los rayos solares (8) de dos. Las plantas termosolares que contienen dichos receptores multitubulares los combinan con colectores cilindro paramétricos o cilindro parabólicos con receptor tubular y pueden ser para generación directa de vapor (con zona de saturado y sobrecalentado) o no (con los colectores conectados en serie).
Description
Colector solar con receptor multitubular,
plantas termosolares que contienen dicho colector y método de
operación de dichas plantas.
La invención se encuadra en el sector técnico de
la tecnología termosolar, más concretamente en el sector de los
colectores cilíndricos así como las plantas en las que se instalan
dichos colectores, ya sean plantas de producción directa de vapor
como plantas que utilizan un fluido caloportador para producir
vapor en un intercambiador
posterior.
posterior.
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El principio general de la tecnología termosolar
está basada en el concepto de la concentración de la radiación
solar para calentar un fluido caloportador y generar
electricidad.
La captación de energía solar y su concentración
es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas
termosolares. Existen principalmente dos tipos de tecnologías de
concentradores: la concentración puntual y la concentración lineal.
La lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de
libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo
tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de
concentración puntual.
Dentro de los concentradores puntuales se
distinguen los concentradores de disco parabólicos y las centrales
de torre. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro
Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro y ahora
empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel
(CLF).
Los colectores Fresnel están compuestos por un
sistema primario y un secundario. El primario lo forman una serie de
filas paralelas de espejos reflectores, planos o ligeramente
curvados, con estructuras móviles que son los que se encargan de
emitir y orientar la radiación solar al secundario. La radiación
llega a la apertura del secundario y es redireccionada por unos
espejos a un "tubo" focal imaginario que es donde se coloca el
tubo absorbedor.
Este sistema secundario queda elevado sobre el
campo de espejos a varios metros de altura y se encarga de
reconcentrar la radiación solar que emite el primario y
direccionarla hacia un tubo absorbedor.
El absorbedor queda inmóvil en el espacio e
independizado del colector que es el que realiza el seguimiento del
sol. El reconcentrador tiene un doble efecto positivo:
permite aumentar la superficie colectora
evitando que los rayos se escapen y permite aumentar la
concentración del campo primario. Además, este tipo de colector
permite un uso más compacto del terreno al quedar las filas muy
próximas unas de otras.
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Eventualmente, el terreno bajo los campos de
espejos puede utilizarse para fines ajenos a la producción de
energía. Las filas tienen un tamaño pequeño en comparación con un
colector cilíndrico paramétrico por lo que las cargas de viento son
menores y las estructuras son más livianas.
La tecnología
cilindro-parabólica es una tecnología más madura que
la de los colectores Fresnel y con un extenso historial que
demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. Esta
tecnología lleva siendo instalada a nivel comercial desde los años
80 con un excepcional comportamiento. Desde entonces, ha
experimentado importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos.
Actualmente hay 300 MWs en operación, 400 en construcción y
alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial.
La tecnología
cilindro-parabólica basa su funcionamiento en
seguimiento solar y en la concentración de los rayos solares en
unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la
línea focal de los colectores cilindro parabólicos.
Los componentes principales del campo solar de
la tecnología cilindro-parabólica son:
\bullet El reflector
cilindro-parabólico: La misión del reflector
cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo
absorbedor la radiación solar directa que incide sobre la
superficie. La superficie especular se consigue a través de
películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le
da la suficiente rigidez. En la actualidad los medios de soporte
más utilizados son la chapa metálica, el vidrio y el plástico. Se
denomina reflector primario.
\bullet El tubo absorbedor tubular: Por lo
general, el tubo absorbedor denominado tubular, consta de dos tubos
concéntricos separados o no por una capa de vacío. El tubo interior,
por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el tubo
exterior de cristal.
\bullet El sistema de seguimiento del sol: El
sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los
reflectores cilindro-parabólicos del colector
alrededor de un eje longitudinal, de manera que los rayos incidan
siempre perpendiculares a este eje y paralelos al eje óptico de la
parábola.
\bullet La estructura metálica: La misión de
la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de
elementos que lo componen.
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Tradicionalmente por el tubo absorbedor circula
un fluido caloportador o transmisor de calor, generalmente aceite
sintético, que es calentado a aproximadamente 400ºC por los rayos
solares concentrados. Este aceite a alta temperatura es bombeado a
través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor
de agua sobrecalentado.
Sin embargo, en los últimos años se está
desarrollando la generación directa de vapor con colectores
cilindro parabólicos. Esta tecnología (conocida como GDV) elimina
la necesidad de un fluido intermedio de transferencia de calor en el
campo solar.
El agua se introduce directamente por el
interior de los tubos receptores y absorbe la energía reflejada por
los colectores pasando de su estado líquido a vapor saturado y
posteriormente a sobrecalentado.
En ambos casos, el calor presente en el vapor,
se convierte en energía eléctrica mediante una turbina de vapor
convencional y un alternador.
Frente a los aceites sintéticos la GDV tiene las
siguientes características:
a) Se sustituye el uso del aceite por el
agua.
b) Permite aumentar la temperatura máxima del
campo solar que en el caso del aceite viene impuesta por la
degradabilidad del mismo (400ºC) y por tanto es posible ir a ciclos
de potencia más eficientes.
c) Presenta mayor rendimiento del campo solar
debido a que la temperatura media de operación de los colectores es
ligeramente inferior a la de los sistemas con aceite y además se
suprime el salto de temperatura necesario en el intercambiador
aceite/agua.
d) Se reducen los costes de inversión del tren
de intercambio, tanque de expansión y otros sistemas relacionados
con la utilización del aceite.
e) Se reducen los autoconsumos.
f) Se evitan problemas de congelación de aceite
en invierno puesto que el aceite térmico presenta una temperatura de
congelación de 12ºC.
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En el caso de las plantas de GDV el vapor
producido en el campo solar -en condiciones de presión en el rango
60 a 100 bar y de temperatura en el rango de 400ºC a 525ºC- alimenta
directamente la turbina sin necesidad de intercambiador. En este
tipo de plantas, el campo solar se divide en dos partes. Una parte
(del orden del 80% del campo) se utiliza para generar vapor saturado
a temperaturas del orden de 300ºC y el resto del campo (del orden
del 20% restante) se utiliza para sobrecalentar. Además, la
temperatura de entrada del agua al campo solar se reduce al orden de
los 240ºC.
La temperatura promedio de trabajo para las
plantas de GDV es pues, inferior al caso del aceite sintético. Ello
limita las pérdidas radiantes y abre la puerta al uso de colectores
con receptores sin vacío o con otro tipo de receptores que permitan
minimizar las pérdidas por convección al menos para las zonas del
campo solar que trabajen a menor temperatura.
Desde el punto de vista óptico, en el caso del
colector cilindro parabólico actual todos los rayos que llegan a la
parábola dentro del ángulo de incidencia de diseño, son reflejados
al tubo absorbedor. La eficiencia de colección de este concentrador,
definida como la fracción de potencia incidente dentro del ángulo
de aceptancia del primario, que alcanza el tubo absorbedor es del
100%. Es posible comprobar que la concentración del colector
cilindro parabólico actual ronda los 26 soles mientras que el
segundo principio de la termodinámica permite afirmar que,
manteniendo los ángulos de aceptancia actuales, es posible alcanzar
los 83 soles. Quiere decir que, teóricamente, la concentración del
colector actual podría aumentarse aún 3.2 veces.
A lo largo de la historia reciente se han
realizado diferentes intentos de aumentar la concentración de los
colectores cilindro parabólicos mediante el uso de reconcentradores
secundarios:
- Para el caso de un único receptor tubular se
ha demostrado que es posible alcanzar la concentración máxima con
una eficiencia de colección del 100% con un reconcentrador
secundario parabólico tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator).
Sin embargo, desde el punto de vista práctico, este reconcentrador
presenta algunos inconvenientes importantes que penalizan su
utilización. En unos casos el secundario junto con el tubo
absorbedor deben alejarse de la parábola primaria; y en otros se
generan geometrías de secundario complejas y difíciles de fabricar.
Otro inconveniente es que el reconcentrador debe mantenerse en
contacto o muy cerca del tubo absorbedor lo cual obliga a los
diseñadores a localizar el reconcentrador dentro del tubo de vidrio
que mantiene el vacío o a irse a soluciones sin vacío y sin tubo de
vidrio, conceptos ya probados en algunos concentradores tipo
Fresnel.
- Otra posibilidad es usar reconcentradores tipo
TERC (Tailored Edge Ray Concentrator). Este tipo de concentradores y
de receptores está extendido en el caso de los colectores Fresnel,
tal y como se demuestra en la patente WO2009023063 (A2) de Mills
David R y Schramek Philipp, pero no en el caso de plantas con
colectores cilindro parabólicos. Los inconvenientes de los
colectores Fresnel son que las filas se dan sombra, se bloquean
ópticamente unas a otras y aparece un efecto coseno transversal y
longitudinal que reduce el rendimiento óptico del conjunto si lo
comparamos con un colector cilindro parabólico. El desafío para los
colectores Fresnel sigue siendo tener un coste inferior a los
colectores cilindro parabólicos que compensen estas pérdidas
ópticas.
\vskip1.000000\baselineskip
Existe en el estado de la técnica otra solución,
que no cuenta con los inconvenientes antes señalados y que aumenta
la concentración en los colectores. Se trata de utilizar
concentradores diseñados con el método de diseño óptico denominado
"The Simultaneous Multiple Surface (SMS)" de Miñano, Benítez,
et al. El método está bien descrito en el documento US
6,639,733 B2 y en otras publicaciones y permite diseñar una
superficie para el primario y para el secundario que deja de ser
parabólica y que mantiene la eficiencia de colección en el 100%
para los rayos incidentes al colector, dentro de la aceptancia de
diseño, a la vez que permite maximizar la relación de concentración
C/Cmax. En este caso el número de reflexiones de los rayos solares
es 2.
Así pues, la presente invención se centra en el
desarrollo de un nuevo colector, basándose en el diseño óptico SMS
el cual mejora considerablemente la eficiencia del mismo, pero en
este caso aplicado a receptor multitubo sin vacío e introduciendo
mejoras en su geometría, de manera que supere los inconvenientes
encontrados en el estado de la técnica, controlando las pérdidas
convectivas de forma que este colector sea posible utilizarlo a
bajas temperaturas, donde controla las pérdidas por convección
frente a la radiación.
También la invención desarrolla una planta
termosolar de concentración que contiene los colectores
reivindicados, combinados con colectores de receptor tubular, ya
sean cilindro parabólicos o cilindro paramétricos. Esta planta con
combinación de ambos tipos de colectores aumenta la eficiencia
respecto a las plantas existentes ya que, gracias a la combinación
de ambas tecnologías se optimiza el funcionamiento de cada tipo de
colector y se minimizan las pérdidas convectivas.
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La presente invención se refiere al diseño de un
colector con receptor multitubular sin vacío y a la planta
termosolar que combina dichos colectores con colectores de
receptores tubulares, con o sin vacío, ya sea para generación
directa de vapor o no.
El colector cilindro paramétrico con receptor
multitubular sin vacío, objeto de la invención, es un colector
simétrico formado por un reflector primario de geometría optimizada
ópticamente para maximizar la concentración total, un reconcentrador
secundario optimizado y un receptor conformado por múltiples tubos
circulares, cada uno con las características que se describen a
continuación:
\sqbullet La geometría del reflector primario
son dos curvas simétricas y continuas que permiten aumentar la
concentración C/Cmax a más de 0.63 así como reducir las cargas de
viento. La estructura está optimizada para soportar las diferentes
cargas a las que está sometido el colector además, el centro de
gravedad del colector se sitúa muy próximo al eje de giro del propio
colector.
\sqbullet La geometría del reconcentrador
secundario está optimizada y la eficiencia de colección del colector
es del 100%. En función de la solución elegida todos, o la gran
mayoría de los rayos, se reflejan en el secundario antes de llegar
al receptor (número de reflexiones de los rayos solares es menor o
igual a 2).
Para diseñar el reflector primario y el
secundario del colector se aplica el método de diseño denominado
"The Simultaneous Multiple Surface (SMS)" de Miñano, Benítez,
et al. El método está bien descrito en el documento US
6,639,733 B2 y en otras publicaciones y permite diseñar una
superficie para el primario y para el secundario que deja de ser
parabólica y que mantiene la eficiencia de colección en el 100% para
los rayos incidentes al colector, dentro de la aceptancia de
diseño, a la vez que permite maximizar la relación C/Cmax.
\sqbullet El receptor por el que circula el
fluido caloportador conformado por múltiples tubos circulares
contempla varias opciones de diseño que consiguen controlar las
pérdidas convectivas, de forma que este colector sea posible
utilizarlo a bajas temperaturas, donde controla las pérdidas por
convección:
- -
- Receptor formado por una serie de tubos metálicos, normalmente de acero, colocados uno al lado de otro y paralelos, sobre el mismo plano horizontal. Los tubos se apoyan en una base aislante térmica.
- -
- Receptor formado por una serie de tubos metálicos, normalmente de acero, colocados en tres tramos: dos tramos inclinados en los extremos y un plano horizontal en el medio. Cada tramo está formado por varios tubos paralelos. Ambos extremos tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal. El tramo central horizontal, reposa sobre una base aislante térmica.
- -
- Receptor formado por una serie de tubos metálicos, normalmente de acero, colocados en tres tramos: dos tramos inclinados en los extremos y un plano horizontal en el medio. El tramo central está formado por varios tubos y los de los extremos por tan sólo uno, en contacto con el tubo más extremo del tramo horizontal. El resto de plano inclinado, lo forma una aleta libre, sin tubos. Ambos extremos tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal. El tramo central horizontal, reposa sobre una base aislante térmica.
- -
- Receptor formado por una serie de tubos metálicos, normalmente de acero, colocados en tres tramos: dos tramos inclinados en los extremos y un plano horizontal en el medio. El tramo central está formado por varios tubos y los de los extremos por tan sólo uno, situado en el punto medio del plano. El resto de plano inclinado, a ambos lados del tubo, lo forman dos aletas libres, sin tubos, una de ellas uniéndose en su extremo al tramo horizontal. Ambos extremos tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal. El tramo central horizontal, reposa sobre una base aislante térmica.
\vskip1.000000\baselineskip
En cualquiera de las configuraciones anteriores,
los tubos se pueden unir entre ellos por soldadura con o sin aletas
adicionales o utilizando abrazaderas y, en todos los casos, será
necesario la inclusión de mecanismos que permitan la dilatación
longitudinal de los tubos.
En resumen, la geometría del colector multitubo
que se plantea maximiza la relación de concentración C/Cmax del
colector cilindro paramétrico, hasta valores de 0.63, tiene una
eficiencia de colección del 100% y un número de reflexiones de los
rayos solares antes de llegar al receptor menor o igual a 2, además
controla las pérdidas convectivas de forma que este colector puede
ser utilizado a bajas temperaturas.
El colector propuesto se aleja de la
convencional geometría parabólica actual, pero manteniendo los
requerimientos estructurales y con un coste similar o inferior al
actual.
En cuanto a la planta que contiene dichos
colectores multitubulares se contemplan dos opciones: planta con
cambio de fase para generación directa de vapor y planta sin cambio
de fase.
La planta para generación directa de vapor hace
uso de un fluido que cambia de fase a lo largo de su recorrido por
la planta, para llegar a la turbina en forma de vapor. El fluido
más común para este tipo de plantas es el agua.
La planta reivindicada se diseña dividiendo el
campo solar en dos partes; una zona del campo solar se dedica a la
generación de vapor saturado a temperaturas del orden de 300ºC y
otra zona del campo solar se dedica a la generación de vapor
sobrecalentado a temperaturas del orden de 500ºC.
Los colectores que trabajan en el campo de
saturado a bajas temperaturas, son del tipo cilindro parabólico
tubular con o sin vacío o del tipo paramétrico con receptor
multitubo sin vacío y son alimentados con el agua de alimentación
del circuito a baja temperatura. Este vapor se va calentando y va
pasando de un colector al siguiente hasta alcanzar la temperatura de
saturación del orden de 300ºC.
Para aumentar la eficiencia del ciclo es
conveniente trabajar a temperaturas más elevadas. Es por ello que
los colectores del campo de sobrecalentado son del tipo colectores
cilindro-parabólicos o
cilindro-paramétricos con receptor tubular con
vacío.
A la salida de estos colectores, se obtiene
vapor sobrecalentado a una elevada temperatura, por encima de
500ºC, El fluido a esta temperatura se envía directamente a la
turbina, para producir electricidad.
El segundo tipo de planta de concentración, la
planta cuyo fluido y rango de temperaturas de trabajo no producen
cambio de fase, se diseña siguiendo un circuito con diversos
colectores conectados en serie.
Los primeros colectores, es decir, los que
trabajan a bajas temperaturas, son colectores cilindro parabólicos
con o sin vacío o colectores paramétricos con receptor multitubo.
El primero de todos los colectores de la serie es alimentado con el
fluido de alimentación del circuito a baja temperatura. Este fluido
se va calentando y va pasando de un colector al siguiente hasta
alcanzar una temperatura superior a 300ºC.
En serie con estos colectores y para trabajar a
temperaturas más elevadas, se conectan colectores
cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor
tubular de vacío.
A la salida de estos colectores, el fluido tiene
una temperatura superior a 500ºC, con presiones que pueden ser de
hasta 200 bares para el caso de que el fluido caloportador sea el
CO_{2}. El fluido a esta temperatura se hace circular por un
intercambiador de calor; para generar vapor a temperaturas del
orden de 500ºC o superiores. Este vapor se envía a la turbina para
producir electricidad.
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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: Esquema de una planta para fluido y
rango de temperaturas que no produzcan cambio de fase.
Figura 2: Colector cilindro paramétrico para
receptor multitubular sin vacío.
Figura 3: Receptor multitubo según configuración
1.
Figura 4: Variante del colector según
configuración 1.
Figura 5: Colector completo según configuración
1.
Figura 6: Receptor multitubo según configuración
2.
Figura 7: Colector completo según configuración
2.
Figura 8: Receptor multitubo según configuración
3.
Figura 9: Receptor multitubo según configuración
4.
Figura 10: Esquema de unión de los tubos por
soldadura con o sin aletas.
Figura 11: Esquema de unión de los tubos con
abrazaderas.
Figura 12: Esquema general del campo solar para
planta sin cambio de fase.
Figura 13: Esquema general del campo solar para
planta con cambio de fase.
Siendo las referencias:
- 1.
- Colectores con receptor multitubo sin vacío.
- 1'.
- Receptor multitubo sin vacío configuración primera.
- 1''.
- Receptor multitubo sin vacío configuración segunda.
- 1'''.
- Receptor multitubo sin vacío configuración tercera.
- 1^{iv}.
- Receptor multitubo sin vacío configuración cuarta.
- 2.
- Colectores con receptor tubular de vacío.
- 3.
- Fluido de alimentación a baja temperatura.
- 3'.
- Fluido a aprox. 300ºC.
- 4.
- Vapor de salida a elevada temperatura.
- 5.
- Espejo o reflector primario (concentrador).
- 6.
- Reconcentrador secundario.
- 7.
- Tubos circulares sin vacío.
- 7'.
- Tubo individual.
- 7''.
- Tubo del extremo.
- 8.
- Rayos solares.
- 9.
- Base aislante térmica.
- 10.
- Tramos inclinados en los extremos.
- 11.
- Plano horizontal en el medio.
- 12.
- Aleta libre, sin tubos.
- 13.
- Soldadura.
- 14.
- Aleta de unión.
- 15.
- Abrazadera.
- 16.
- Tapas transparentes.
- 17.
- Campo solar.
- 18.
- Campo de saturado (colectores multitubo).
- 19.
- Campo de sobrecalentado (colectores cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor tubular de vacío).
- 20.
- Bloque de potencia.
\vskip1.000000\baselineskip
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir la planta termosolar
objeto de la invención así como el colector multitubo, según una
realización preferente.
En primer lugar y según se observa en la figura
1, para una planta termosolar cuyo fluido y rango de temperaturas de
trabajo no produzcan cambio de fase, la planta termosolar
reivindicada se diseña siguiendo un circuito con diversos colectores
conectados en serie.
Los primeros colectores, es decir, los que
trabajan a bajas temperaturas, son del tipo concentradores cilindro
parabólicos con receptor tubular con o sin vacío o concentradores
paramétricos con receptor multitubo (1) y el primero de todos ellos
es alimentado con el fluido de alimentación del circuito (3) a baja
temperatura. Este fluido se va calentando y va pasando de un
colector (1) al siguiente hasta alcanzar una temperatura por encima
de 300ºC.
En serie con los colectores multitubo (1) y para
trabajar a temperaturas más elevadas, se conecta una serie de
colectores cilindro-parabólicos o paramétricos con
receptor tubular, pero con vacío (2). A la salida de estos
colectores, el fluido se encuentra a elevada temperatura (4), por
encima de 500ºC. El fluido a esta temperatura se utiliza; gracias a
un intercambiador de calor; para generar vapor a temperaturas del
orden de 500ºC o superiores.
El fluido sin cambio de fase que circula por
este tipo de plantas puede ser CO_{2}.
En la figura 12 se muestra el esquema general de
un campo solar (17) para una planta típica sin cambio de fase. En
él se observan los distintos módulos de colectores, como el
mostrado en la figura 1, que se alimentan con fluido a baja
temperatura (3) y calientan el fluido conduciéndolo, en forma de
vapor por la tubería de salida (4) hasta el bloque de potencia
(20).
En segundo lugar, para una planta termosolar con
fluido con cambio de fase, como por ejemplo el agua para generación
directa de vapor y según se observa en la configuración mostrada en
la figura 13, la planta termosolar reivindicada se diseña dividiendo
el campo solar (17) en dos partes; una zona del campo solar (18) se
dedica a la generación de vapor saturado a temperaturas del orden de
300ºC (3') y otra zona del campo solar (19) se dedica a la
generación de vapor sobrecalentado a temperaturas del orden de
500ºC (4). Los colectores que trabajan en el campo de saturado (18)
a bajas temperaturas, son del tipo cilindro parabólico con receptor
tubular con o sin vacío o paramétrico con receptor multitubo (1) y
son alimentados con el agua de alimentación del circuito (3) a baja
temperatura (aproximadamente 240ºC). Este vapor se va calentando y
va pasando de un colector (1) al siguiente hasta alcanzar la
temperatura de saturación del orden de 300ºC (3'). Ese vapor
saturado (3') se envía a la zona de sobrecalentado (19).
Para aumentar la eficiencia del ciclo es
conveniente trabajar a temperaturas más elevadas. Es por ello que
los colectores del campo de sobrecalentado (19) son del tipo
colectores con receptor tubular con vacío de tipo
cilindro-parabólicos o paramétricos (2). A la
salida de estos colectores, se obtiene vapor sobrecalentado a una
elevada temperatura (4), por encima de 500ºC, en forma vapor. El
fluido a esta temperatura se envía directamente a la turbina, para
producir electricidad.
Como ya se dijo anteriormente, los colectores
tubulares, ya sean cilindro-parabólicos o
paramétricos y con o sin vacío, son conocidos en el estado de la
técnica y por tanto no se incluye ninguna figura que los
muestre.
En cuanto al nuevo colector cilindro paramétrico
para receptor multitubular sin vacío o Multitube (1), se muestra en
la figura 2. Se trata de un colector solar simétrico formado por un
espejo primario (5) de geometría optimizada ópticamente para
maximizar la concentración total, un reconcentrador secundario
optimizado (6) y un receptor (1) conformado por múltiples tubos
circulares sin vacío (7).
Como se observa en la figura 2, la geometría del
reflector primario (5) se compone de dos curvas paramétricas
simétricas, que consiguen aumentar la concentración C/Cmax a más de
0.63, así como reducir las cargas de viento.
La estructura está optimizada para soportar las
diferentes cargas a las que está sometido el colector además, el
centro de gravedad del colector se sitúa muy próximo al eje de giro
del propio colector.
La geometría del reconcentrador secundario (6)
está optimizada y la eficiencia de colección del colector es del
100%. En función de la solución elegida, todos o la gran mayoría de
los rayos (8), se reflejan en el secundario (6) antes de llegar al
receptor (1).
El receptor multitubo (1) está formado por
múltiples tubos circulares sin vacío (7) y contempla varias opciones
de diseño:
- Configuración primera: En la figura 3 se
muestra el receptor multitubo (1') formado por una serie de tubos
metálicos (7), normalmente de acero, colocados uno al lado de otro y
paralelos, sobre el mismo plano horizontal. Los tubos se apoyan en
una base aislante térmica (9).
La figura 4 muestra una alternativa para esta
variante primera en la que se le añaden unas tapas transparentes
(16) inclinadas y partiendo de la base aislante (9) para minimizar
las pérdidas convectivas. Aunque sólo se muestra la figura con este
tipo de configuración, podrían añadirse a cualquiera de los diseños
que se muestran a continuación.
En la figura 5 se muestra el colector completo
con el primario discontinuo (5), el reconcentrador secundario (6),
el receptor multitubo (1') y los rayos solares (8).
- Configuración segunda: En la figura 6 se
muestra otra alternativa para el diseño del receptor multitubo
(1'') formado por una serie de tubos metálicos (7), normalmente de
acero, colocados en tres tramos: dos tramos inclinados en los
extremos (10) y un plano horizontal en el medio (11). Cada tramo
está formado por varios tubos paralelos (7). Ambos extremos (10)
tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal (11). El
tramo central horizontal (11), reposa sobre una base aislante
térmica (9).
En la figura 7 se muestra el colector completo
con el primario discontinuo (5), el reconcentrador secundario (6),
el receptor multitubo (1'') según esta configuración y los rayos
solares (8).
- Configuración tercera: La figura 8 muestra un
receptor multitubo (1''') formado por una serie de tubos metálicos
(7), normalmente de acero, colocados en tres tramos: dos tramos
inclinados en los extremos (10) y un plano horizontal en el medio
(11). El tramo central (11) está formado por varios tubos (7) y los
de los extremos (10) por tan sólo uno (7'), y se sitúa haciendo
contacto con el tubo más extremo (7'') del tramo horizontal (11). El
resto de plano inclinado, lo forma una aleta libre (12), sin tubos.
Ambos extremos (10) tienen la misma inclinación respecto al plano
horizontal. El tramo central horizontal (11), reposa sobre una base
aislante térmica (9).
- La figura 9 muestra un receptor multitubo
(1^{iv}) formado por una serie de tubos metálicos (7),
normalmente de acero, colocados en tres tramos: dos tramos
inclinados en los extremos (10) y un plano horizontal en el medio
(11). El tramo central (11) está formado por varios tubos (7) y los
de los extremos (10) por tan sólo uno (7'), situado en el punto
medio del tramo inclinado (10). El resto de plano inclinado, a ambos
lados del tubo (7'), lo forman dos aletas libres (12), sin tubos,
una de ellas uniéndose en su extremo al tramo horizontal. Ambos
extremos (10) tienen la misma inclinación respecto al plano
horizontal. El tramo central horizontal (11), reposa sobre una base
aislante térmica (9).
En cualquiera de las configuraciones anteriores,
los tubos (7) se unen entre ellos por soldadura. En unos casos se
sueldan (13) directamente un tubo a otro (figura 10 abajo) y en
otros casos se les añade una pequeña aleta (14) entre ellos (figura
10 arriba) o se utilizan abrazaderas (15) (figura 11).
Así pues, la planta solar reivindicada supone la
combinación de dos tipos distintos de colectores, uno novedoso y el
otro conocido, lo que supone un importante avance en el sector de la
producción de energía a partir del sol, logrando aumentar
considerablemente la eficiencia de la misma, al hacer trabajar a
cada colector en el rango de temperaturas más adecuado.
Claims (14)
1. Colector solar con receptor multitubular
caracterizado porque es de tipo paramétrico y cuenta con un
reflector primario formado por dos curvas paramétricas, simétricas y
continuas, un reconcentrador secundario y un receptor por el que
circula el fluido caloportador, estando tanto el reflector primario
como el reconcentrador secundario diseñados ópticamente siguiendo
el método "The Simultaneous Multiple Surface (SMS)" de Miñano,
Benítez, et al. y donde el receptor (1) comprende varios
tubos metálicos de sección circular (7) colocados uno al lado de
otro, paralelos y unidos entre ellos, apoyados todos en el mismo
plano horizontal sobre una base aislante térmica (9).
2. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque al plano
horizontal del receptor multitubo (1'') se le añaden dos tramos
inclinados en los extremos (10) formados por varios tubos paralelos
(7) teniendo los dos tramos inclinados de los extremos (10) la misma
inclinación respecto al plano horizontal (11).
3. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque al plano
horizontal del receptor multitubo (1''') se le añaden dos tramos
inclinados en los extremos (10), los cuales tienen la misma
inclinación respecto al plano horizontal estando los tramos
inclinados de los extremos (10) formados por tan sólo un tubo (7')
situándose este único tubo (7') en contacto con el tubo más extremo
(7'') del tramo horizontal (11); el resto de plano inclinado, lo
forma una aleta libre (12), sin tubos.
4. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque al plano
horizontal del receptor multitubo (1^{iv}) se le añaden dos tramos
inclinados en los extremos (10), los cuales tienen la misma
inclinación respecto al plano horizontal, estando los tramos
inclinados de los extremos (10) por tan sólo un tubo (7'), situado
en el punto medio de cada tramo inclinado (10); el resto de plano
inclinado, a ambos lados del tubo (7'), lo forman dos aletas libres
(12), sin tubos.
5. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque se le añaden
unas tapas transparentes (16) inclinadas y partiendo de la base
aislante (9) las cuales minimizan las pérdidas convectivas.
6. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (7) se
unen entre ellos por soldadura.
7. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 6 caracterizado porque a los tubos (7)
se les añade una pequeña aleta (14) entre ellos.
8. Colector solar con receptor multitubular
según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (7) se
unen entre ellos con abrazaderas (15).
9. Planta termosolar que contiene colectores
solares con receptores multitubulares como los descritos en
reivindicaciones anteriores, cuyo fluido y rango de temperaturas de
trabajo no produzcan cambio de fase, caracterizada porque se
diseña siguiendo un circuito con diversos colectores conectados en
serie y combina los colectores solares paramétricos con receptor
multitubo (1) con una serie de colectores
cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor
tubular con vacío (2).
10. Planta termosolar que contiene colectores
solares con receptores multitubulares, según reivindicación 9, cuyo
fluido y rango de temperaturas de trabajo no produzcan cambio de
fase, caracterizada porque el fluido que circula es
CO_{2}.
11. Planta termosolar que contiene colectores
solares con receptores multitubulares como los descritos en
reivindicaciones anteriores, para generación directa de vapor
caracterizada porque la planta se diseña dividiendo el campo
solar (17) en dos partes: una zona del campo solar (18) se dedica a
la generación de vapor saturado con colectores paramétricos con
receptor multitubo (1) y otra zona del campo solar (19) se dedica a
la generación de vapor sobrecalentado, con colectores con receptor
tubular cilindro-parabólicos o paramétricos con
receptores tubulares de vacío (2).
12. Planta termosolar que contiene colectores
solares con receptores multitubulares según reivindicación 11, cuyo
fluido y rango de temperaturas de trabajo produzcan cambio de fase,
caracterizada porque el fluido que circula es agua.
13. Método de operación de la planta termosolar
descrita en la reivindicación 9 caracterizado porque se
introduce fluido a baja temperatura en el primer colector del tipo
paramétrico con receptor multitubo (1) y se va calentando al pasar
de un colector (1) al siguiente hasta alcanzar una temperatura por
encima de 300ºC; tras alcanzar esta temperatura comienza a circular
el fluido por una serie de colectores
cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor
tubular de vacío (2) obteniéndose a la salida de estos colectores
(2) el fluido a una temperatura (4) por encima de 500ºC.
14. Método de operación de la planta termosolar
descrita en la reivindicación 11 caracterizada porque los
colectores que trabajan en el campo de saturado (18) a bajas
temperaturas son alimentados con el agua de alimentación del
circuito (3) a baja temperatura, a medida que circula por los
colectores el agua se va calentando y va pasando de un colector (1)
al siguiente hasta alcanzar la temperatura de saturación del vapor
del orden de 300ºC, a continuación se envía el vapor saturado a los
colectores del campo de sobrecalentado (19) y a la salida de estos
colectores, se obtiene vapor sobrecalentado a una temperatura (4),
por encima de 500ºC, ese vapor se envía directamente a una turbina
para producir electricidad.
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