ES2396103B1

ES2396103B1 - Planta solar.

Info

Publication number: ES2396103B1
Application number: ES201131142A
Authority: ES
Inventors: Juan Pablo Núñez Bootello; Manuel GALLAS TORREIRA
Original assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Current assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: MX2014000175A; ZA201400154B; EP2731210A4; WO2013004870A1; CN103703636A; US20140202522A1; EP2731210A1; ES2396103A1; CL2013003719A1

Abstract

Planta solar.#Permite transformar energía solar aprovechando la mayor parte del espectro solar con rendimiento muy eficiente. Comprende: al menos un colector (11) solar dotado de un foco, y adaptado para recolectar la radiación solar y concentrarla en el foco; un dispositivo láser (10) solar para transformar la radiación recibida desde los focos en radiación láser; y un receptor (1) y/o un reactor solar (21) adaptados para recibir la radiación proveniente del dispositivo láser (10) y transformarla en otro tipo de energía. Puede comprender guías de luz (8) flexibles o espejos (26) planos para transportar hacia el reactor solar (21) y/o el receptor (1) la radiación recibida desde el dispositivo láser. Puede comprender células fotovoltaicas (18) intercaladas entre los colectores y los dispositivos láser para transformar la radiación concentrada de los focos en electricidad y dejar pasar hacia los dispositivos láser la radicación que no transforman.

Description

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo de la tecnología solar. El objeto de la invención se refiere a una planta solar que 10 posibilita la transformación en energía eléctrica o térmica de una mayor parte

de la radiación del espectro solar recibida.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

15 El aprovechamiento de la energía solar plantea una serie de retos. Uno de ellos es la captación de dicha energía solar y su concentración, lo cual es una cuestión ampliamente investigada, desarrollada y aplicada en la actualidad. En este sentido el desafío de las plantas solares es: maximizar el ratio C/Cmax de los colectores concentradores (donde C es la concentración y

20 Cmax = 1/seno (semiaceptancia) es la concentración máxima teórica); minimizar las pérdidas geométricas -efecto coseno, sombras y bloqueos entre seguidores -, pérdidas ópticas y térmicas; y bajar los costes de las instalaciones a niveles que hagan competitiva la tecnología en relación a otras fuentes de energía. Es importante indicar que maximizar la concentración nos

25 permite reducir las pérdidas térmicas en la planta, reducir el coste de los dispositivos receptores (típicamente termosolares o fotovoltaicos) y/o aumentar las temperaturas típicas de trabajo de los fluidos caloportadores o de los reactores para la obtención de combustibles solares.

Otro gran reto es la transformación de la energía solar en energía

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eléctrica. Actualmente existen dos caminos comerciales principales:

1 -La tecnología fotovoltaica: implica convertir directamente en electricidad la radiación electromagnética del espectro solar a través de materiales 5 semiconductores empleando células fotovoltaicas. Se trata de una tecnología que está en continuo desarrollo, y cuenta con potencial de mejora suficiente como para poder superar en eficiencia a las plantas solares termoeléctricas, gracias al futuro uso de materiales avanzados. Sin embargo tiene la desventaja de que no es gestionable y de que existe un rango de longitud de

10 onda por encima de la cual las células fotovoltaicas no son capaces de convertir toda la energía de los fotones en energía eléctrica y por debajo de la cual el exceso de energía transportada por el fotón se pierde en forma de calor.

15 2 -La tecnología termosolar: implica calentar un fluido caloportador y generar electricidad en una turbina mediante un ciclo Rankine, Brayton, motor Stirling u otros, o bien provocar una reacción que permita obtener: hidrógeno directamente a partir de agua a temperaturas de hasta 2000 ºC mediante la utilización de terceras sustancias (Zinc u otros) o de procesos alternativos (I-S

20 Iodine sulfure); amonia a partir de nitrógeno e hidrógeno; cualquier otro combustible solar. Es una tecnología que también está en continuo desarrollo. No presenta el inconveniente anteriormente comentado en relación a la tecnología fotovoltaica, pero tiene otros problemas más adelante expuestos. Actualmente se prevé que las plantas de receptor central tipo torre permitan,

25 en el medio plazo, mejorar tanto en eficiencia como en coste al resto de tecnologías comerciales en el mercado de grandes plantas de producción de electricidad del orden de las decenas o pocas centenas de MW. Sin embargo, las plantas de receptor central adolecen del denominado efecto coseno (efecto de disminución del área efectiva reflectante del espejo, debido al

30 ángulo que forma los rayos incidentes con la normal a dicha superficie

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reflectante), de desbordamientos en el receptor, de pérdidas por transmisividad y de otros fenómenos que limitan su eficiencia si la comparamos con el potencial de la tecnología fotovoltaica.

En lo que se refiere a generación distribuida o mercado de las decenas

5 de kW, los discos Stirling son una solución en desarrollo todavía cara pero prometedora. Una de las cuestiones que encarecen esta tecnología es el hecho de tener que soportar un motor pesado en voladizo en el foco del concentrador.

La tecnología termosolar tiene a su favor, frente a la tecnología 10 fotovoltaica, la inercia térmica, la posibilidad de hibridar y la posibilidad de almacenar el calor.

Las limitaciones de las plantas de receptor termosolar pueden salvarse utilizando guías de luz para transportar la luz concentrada. El guiado de la luz 15 solar concentrada con pérdidas mínimas desde la zona de captación hasta la zona de transformación es otro gran reto. El desafío, además, es doble; por un lado desarrollar guías de luz con materiales capaces de transmitir todo el ancho espectral de la luz solar y por otro utilizar guías de luz compatibles con colectores avanzados (óptica anidólica no formadora de imagen) que

20 permitan altas concentraciones; es decir, guías de luz de alta apertura numérica.

Ejemplos de guías de luz son las fibras ópticas tradicionales, las guías de luz líquidas y las fibras de cristal fotónico (PCFs).

25 La guías de luz de fibra óptica tradicional (ver documento “Solar fiberoptic mini-dish concentrators: First experimental results and field experience

(D. Feuermann, J. M. Gordon, M Huleihil) – April 2002”) presentan una

apertura numérica limitada (como máximo 0.48) lo cual limita la potencia de 30 luz absorbida, así como los niveles de concentración de los colectores

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solares. Por otro lado, dichas guías no permiten guiar el espectro solar de manera eficiente a distancias superiores a las decenas de metros. Las pérdidas en las guías de luz de fibras ópticas están causadas por tres mecanismos: dispersión tipo Rayleigh; absorción debida a impurezas 5 metálicas y al agua dentro de la fibra; y absorción intrínseca por la propia molécula del material de la fibra óptica, la sílice. La confluencia de estos tres mecanismos limitan la ventana del espectro solar que se puede guiar a través de las fibras sin pérdidas desde los 1000 -1250 nm hasta un límite superior de 1650 nm, presentando unas perdidas de 0.2 dB/km en torno a

10 1550 nm. La conclusión es que, en el mejor de los casos, estas fibras no transmiten eficientemente una parte importante del espectro solar (UV, visible y parte del IR cercano) que representa más del 40% de la energía acumulada presente en el espectro solar.

15 En lo que se refiere al mecanismo de dispersión de Rayleigh: este se produce como resultado de colisiones elásticas entre la onda electromagnética y las moléculas de silicio dentro de la fibra. Si la luz dispersada se mantiene dentro de la apertura numérica de la fibra, continúa su viaje por reflexión interna total dentro de la fibra y no ocurre atenuación.

20 Aumentar pues la apertura numérica de la fibra ayuda a reducir las pérdidas de dispersión de Rayleigh y a aumentar la ventana del espectro.

En cuanto a las pérdidas debido a la absorción por las impurezas: en la actualidad existen métodos de fabricación tipo MCVD (del inglés “modified 25 chemical vapour deposition”, deposición química modificada de vapor”) u OVD (del inglés “outside vapour deposition”, deposición exterior de vapor), que permiten fabricar fibras sin impurezas o con una concentración de impurezas extremadamente pequeñas. Estos procedimientos de fabricación permiten mantener niveles de pérdidas en dB/km suficientemente bajos en

todas las longitudes de onda de la ventana referida anteriormente.

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En cuanto al mecanismo de absorción intrínseca debido al material

de la propia fibra: se está avanzando en el desarrollo de nuevos materiales

para fabricar las fibras que aumenten esta ventana. Un ejemplo son los

5 cristales de ZBLAN y GaLaS. El cristal de ZBLAN (formado por circonio, bario, lantano, aluminio y fluoruros de sodio) presenta rendimientos aceptables para longitudes de onda entre 250 y 4000 nm, con unas pérdidas de 0.05 dB/km a 2550 nm. El cristal de tipo GaLaS, también denominado GLS, que comprende Ga2S3 y/o La2S3 presenta una región de transparencia

10 de longitudes de onda de 500 nm a 10000 nm y unas pérdidas de 0.5 dB/km en torno a 3500 nm.

Desde principios de los años 90 se están desarrollando las fibras de cristal fotónico (Photonic Cristal fibers PCFs en adelante). Las fibras de

15 cristal fotónico son fibras de sílice que tienen un núcleo central (a veces hueco) rodeado de una estructura periódica de agujeros rellenos de aire. Los cristales fotónicos poseen una modulación periódica del índice de refracción, siendo su periodo del orden de la longitud de onda del campo electromagnético en el rango óptico.

20 Existen, entre otros, dos tipos de PCFs: las PCFs de tipo IGF (del inglés “Index Guiding Fibers”, fibras de índice de guiado) y las de tipo PBF (del inglés “Bandgap Guiding Fibers” fibras de guiado de banda prohibida).

25 Es importante señalar que las PCFs están revolucionando el mundo de la fotónica y de la transmisión de datos en telecomunicaciones. El inusual mecanismo de guiado de la luz en las PCFs les confiere toda una serie de propiedades únicas que las diferencian de las fibras convencionales. Entre otros, es posible construirlas con núcleos de tamaño muy pequeño

30 (diámetros de hasta 1 micrómetro) para acrecentar los efectos no lineales,

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construirlas con aperturas numéricas muy altas, o con bandas de propagación monomodo muy extensas. Además, la dispersión cromática de estas fibras puede ajustarse de forma flexible mediante el diseño adecuado de su geometría, pudiendo obtenerse valores inalcanzables con la

5 tecnología de fibra óptica convencional. En este sentido, algunas instituciones han conseguido desarrollar PCFs de sílice dopado con P2O5 con pérdidas de hasta 0.095 dB/km a 1550 nm. Además se han conseguido alcanzar con éxito velocidades de transmisión de 640 Gbit/s.

10 Las PCFs pueden ser utilizadas también para guiar la luz solar. En este caso no sólo la composición material sino la geometría de los nanotubos de aire y el ancho de los puentes entre ellos permiten controlar las propiedades modales así como aumentar la apertura numérica y absorber más luz solar para el mismo diámetro y la misma longitud de fibra.

15 Para la aplicación de guiado de la luz solar las especificaciones son muy específicas: altas aperturas numéricas (0.9), maximización del diámetro de la fibra y de la potencia a transmitir y minimización de pérdidas en dB/km.

Actualmente están en continuo desarrollo las denominadas células

20 fotovoltaicas multiunión, que son capaces de absorber una parte del espectro con una gran eficiencia, tanto más cuantas más capas contenga. Así las células de triple unión compuestas de semiconductores InGaAs, Ge y InGaP tienen eficiencias actuales en el orden del 39%, pero existen rangos de longitud de onda en los cuales no es capaz de convertir los fotones en

25 energía eléctrica. La tecnología fotovoltaica tiene a su favor frente a la termosolar su elevada eficiencia.

De lo anteriormente expuesto, se deduce que las guías de luz 30 avanzadas que se están desarrollando en la actualidad permiten alcanzar

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aperturas numéricas del orden de 0.9. Sin embargo, presentan el inconveniente de que están fabricadas a partir de materiales incapaces de transmitir todo el ancho espectral del sol con pérdidas – en dB/km – que hagan viable esta tecnología. La ventana del espectro solar que se puede

5 guiar con pérdidas satisfactorias va desde los 1000nm -1250 nm hasta un límite superior de 1650 nm, presentando unas perdidas de 0.2 dB/km en torno a 1550 nm.

En la actualidad también se avanza en la investigación de elementos

10 capaces de transformar (en electricidad o en energía térmica) con rendimientos maximizados la radiación solar a lo largo de su ancho espectral (ultravioleta, visible e infrarrojo cercano). En particular, se está avanzando, en conceptos basados en la “gestión de los fotones” por los cuales se intenta separar o modificar el espectro solar antes de que los fotones sean

15 absorbidos por células solares fotovoltaicas.

En estos casos se utilizan convertidores de longitudes de onda;

concretamente convertidores a baja longitud de onda (los denominados

“down converters”) y a alta longitud de onda (los denominados “up

20 converters”), que permiten transformar la radiación de los rangos ultravioleta y/o visible en radiación infrarroja los primeros, y la infrarroja en radiación visible y/o ultravioleta los segundos. Existen en el estado del arte algunos ejemplos de dichos convertidores pero éstos no permiten obtener ni eficiencias suficientemente elevadas ni mantener concentraciones ópticas

25 elevadas, debido sobre todo a que la dirección de la luz emitida después de la conversión no tiene una dirección o direcciones preferentes.

Son conocidos, por otra parte, los dispositivos láser solares, que transforman en un rayo láser una parte del espectro de la luz solar. Los

dispositivos láser solares poseen los siguientes elementos:

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-: Una cavidad óptica, resonador u oscilador óptico constituido por dos espejos en el que la luz láser queda atrapada rebotando entre ambos. De forma muy simplificada se puede decir que el resonador únicamente permite las frecuencias de resonancia proporcionales a c/2L (donde c es la velocidad

5 de la luz y L es el camino óptico del rayo de luz), así como sus modos asociados;

-: Un medio activo dopado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso y

cuya función es la de amplificar un rango de longitudes de onda específico

conforme los fotones van sufriendo las múltiples reflexiones dentro de la

10 cavidad y van pasando por él; y -una fuente de luz solar, capaz de generar inversión de la población en el medio activo. Es decir, luz capaz de conseguir que en dicho medio se tengan más átomos en un estado excitado (átomo en un nivel de energía mecánico-cuántico más alto) que en el estado más bajo de energía, lo que

15 permitirá que gran parte de los átomos del sistema emitan luz en condiciones denominadas estimuladas.

Preferentemente tanto el resonador como el medio activo del láser solar son cilíndricos y en sus extremos se sitúan sendos espejos reflectantes. 20 Los dispositivos láser solares encontrados en la bibliografía están iluminados lateralmente por la luz solar concentrada mediante concentradores tipo CPC (Compound Parabolic Concentrador). El primer espejo reflectante de la cavidad está adaptado para ser altamente reflectivo en la longitud de onda de oscilación del láser y sus alrededores. Únicamente en esta zona este espejo 25 tiene alta reflectividad. El otro espejo, el de salida del láser, refleja (R2) parcialmente la luz incidente y transmite (T2) la fracción que no refleja: T2= 1− R2. Esta luz transmitida es, en sí, la luz láser que sale del dispositivo. Así, los fotones quedan atrapados en el resonador, moviéndose de un espejo a otro y siendo amplificados por el medio activo. Del dispositivo láser sale la 30 fracción de la luz láser que deja escapar el espejo de salida en función de su

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transmisividad en la longitud de onda de oscilación del láser.

El láser solar, por lo tanto, posee una cavidad entre ambos espejos que favorece la reflexión de los fotones que se reflejan alternativamente en cada 5 uno de los espejos y que son amplificados cada vez que pasan por el medio activo. Si la amplificación es lo suficientemente elevada como para superar las pérdidas, lo que se denomina comúnmente condición umbral, un único fotón puede ser amplificado varios ordenes de magnitud para producir un número muy elevado de fotones coherentes atrapados dentro del resonador. Si los

10 fotones van y vienen entre los espejos durante un periodo de tiempo suficientemente largo, el láser alcanzará un régimen permanente.

El bombeo de energía solar al láser puede producirse tanto por la cara lateral del mismo como longitudinalmente al mismo, es decir, por uno de los 15 extremos, de modo que, la luz es inyectada en la dirección del rayo láser

generado.

El láser solar puede transformar una parte del espectro solar entrante en un rayo láser saliente a una longitud de onda determinada. El rayo láser

20 puede alimentar una PCF transportada por el propio láser. La sustancia del medio activo tiene un espectro de absorción que no tiene porqué coincidir con su espectro de emisión. El láser puede, por tanto, ser bombeado por luz de un intervalo de longitudes de onda diferente del intervalo de longitudes de onda en el que está emitiendo.

25 Son también conocidos en el estado de la técnica, los dispositivos láser PCF de doble revestimiento, en los que el medio activo se realiza dopando el núcleo de la fibra PCF. El primer revestimiento tiene índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo y está diseñado para guiar en single mode la

30 radiación láser generada por dentro del núcleo y el segundo revestimiento

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contiene la microestructura conformada por tubos de aire separados una distancia típica a modo de PCF clásica y con sección en forma de D u otra. Este tipo de PCF, permiten muy altas aperturas numéricas.

5 De todo lo anterior se deduce que la eficiencia de transformación de energía solar a electricidad así como la gestionabilidad con los medios actuales es manifiestamente mejorable y que, además, es posible aprovechar más eficientemente el ancho del espectro solar (ultravioleta, visible e infrarrojo cercano).

10 La invención objeto de esta patente plantea desarrollar plantas híbridas fotovoltaicas – termosolares con una serie de características que permiten utilizar, por un lado, la tecnología fotovoltaica para transformar con alta eficiencia una parte del espectro solar en energía eléctrica y, por otro, la

15 termosolar, bajo el principio del guiado de luz para aprovechar el resto del espectro.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

20 La presente invención resuelve el problema técnico planteado, mediante una planta solar que permite aprovechar al máximo la radiación solar. La planta solar de la invención comprende los siguientes elementos:

-: al menos un colector solar dotado de un foco, dicho colector solar 25 adaptado para recolectar la radiación solar y concentrar dicha radiación solar en el foco;

-: al menos un dispositivo láser solar, a modo de convertidor solar,

donde el dispositivo láser está adaptado para recibir (directa o

indirectamente) radiación concentrada procedente de los focos de los

colectores y transformar dicha radiación concentrada en radiación láser; y

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-: un receptor adaptado para recibir la radiación proveniente del láser y transformarla en energía térmica (calentando un fluido caloportador) o directamente en energía eléctrica aprovechando el efecto fotoeléctrico; y / o un reactor solar adaptado para obtener combustible solar, como por ejemplo:

5 hidrógeno directamente a partir de agua a temperaturas de hasta 2000 ºC mediante la utilización de terceras sustancias (Zinc u otros) o de procesos alternativos (I-S Iodine sulfure); amonia a partir de nitrógeno e hidrógeno; o cualquier otro combustible solar.

10 Tal como se explicará más adelante, el dispositivo láser puede recibir radiación directamente desde los focos de los colectores, o bien la instalación puede incorporar una célula fotovoltaica que recibe la radiación concentrada de los focos de los colectores, de tal manera que transforma en energía eléctrica una parte de dicha radiación y es transparente a la parte que no

15 transforma, dejando pasar hacia el dispositivo láser dicha parte que no transforma.

La planta solar de la invención destaca porque intercalando un dispositivo láser entre los colectores y el receptor se garantiza la 20 transformación de la práctica totalidad de la radiación captada por los colectores. Adicionalmente, como es conocido, un haz de luz presenta siempre una divergencia, debida al fenómeno de difracción. Un haz emitido por un dispositivo láser (un rayo láser) de diámetro D posee la característica de que alcanza la semidivergencia mínima teórica impuesta por la difracción

25 (difraction limited beam), que es del orden de λ/D donde λ es la longitud de onda de funcionamiento del dispositivo láser.

Esto quiere decir que los dispositivos láser alcanzan el límite teórico de colimación. Esto es de por sí una ventaja para el aprovechamiento de la 30 energía de dispositivos láser bombeados por luz solar por cuanto el rayo láser

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puede ser conducido hacia un receptor, tanto por el interior de guías de luz (como se explicará más adelante) así como directamente a través de la atmósfera mediante el uso de espejos planos. De esta manera, cuando la distancia entre el dispositivo láser y el receptor lo permite, las reducidísimas

5 pérdidas por divergencia del rayo láser permiten dirigir el rayo láser hacia el receptor mediante simple reflexión en espejos planos.

Los colectores solares pueden ser de cualquier tipo conocido, tanto de tipo tradicional (colectores de disco de tipo paraboloide, colectores de tipo 10 lente de Fresnel), como del tipo de colectores avanzados, elaborados en base

a óptica anidólica (no formadora de imagen).

Asimismo, los colectores están preferentemente asociados a unos seguidores solares en dos ejes apuntando al sol sin efecto coseno, de manera

15 que cada colector solar puede bien tener su dispositivo de seguimiento solar individual o bien, puede existir al menos un dispositivo de seguimiento, asociado a su correspondiente helióstato, sobre el que están montados una pluralidad de colectores.

20 En el caso de que el receptor no esté lo suficientemente cerca de los dispositivos láser como para que resulte ventajoso dirigir el rayo láser hacia el receptor a través de espejos planos, se prevé que la invención incorpore adicionalmente guías de luz flexibles que reciben los rayos láser y los transmiten hacia el receptor.

25 Las guías de luz empleadas pueden ser de cualquiera de los muy diversos tipos y tecnologías existentes.

En particular, atendiendo a la tecnología de fabricación, a modo de

ejemplo, se pueden emplear los siguientes tipos de guías de luz:

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-guías de fibra óptica tradicional, -guías de tipo PCF, -guías de luz líquidas (LLG, del inglés “liquid lightguides)

5 En particular, atendiendo a los materiales empleados en la elaboración, se pueden emplear a modo de ejemplo, las siguientes guías de luz:

-: guías de luz de sílice; 10 -guías de luz de cristal ZBLAN; -guías de luz de cristal GaLaS.

La apertura numérica de las guías es preferentemente compatible, al menos parcialmente, con la apertura de la célula fotovoltaica, del láser y de 15 los colectores solares.

La invención puede incorporar adicionalmente unas lentes para multiplexar la radiación contenida en las guías, o reconcentrar los rayos láser si estos se transmiten directamente a través de la atmósfera con el fin

20 de optimizar la irradiancia incidente sobre el receptor. En el primer caso las guías de luz se pueden dividir en varios grupos y cada uno de dichos grupos ser multiplexado en una guía combinada.

La invención puede incorporar adicionalmente reconcentradores justo 25 antes del receptor con el mismo fin de optimizar la irradiancia incidente en el mismo.

De manera opcional, las guías de luz se pueden, ventajosamente, dirigir hacia el receptor de manera que las guías de luz cuyos primeros 30 extremos están dispuestos en ubicaciones contiguas no inciden sobre

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ubicaciones contiguas del receptor. De esta manera, la radiación incidente sobre una determinada zona del receptor no proviene de una misma zona de colectores, por lo que se compensan los efectos de que algunos colectores estén eventualmente en sombra y se obtiene una incidencia más

5 uniforme sobre los tubos del receptor. Lo que se acaba de explicar se puede implementar tanto en el caso de que las guías de luz se dirijan directamente hacia el receptor, así como en el caso de que se dispongan lentes para multiplexar las guías de luz en guías combinadas, de acuerdo con al menos una de las opciones seleccionadas de la siguiente lista no exhaustiva:

10 -las guías de luz de una misma zona de colectores se multiplexan en guías combinadas, y dichas guías combinadas correspondientes a zonas contiguas se hacen a su vez incidir sobre distintas zonas del receptor; y -las guías combinadas comprenden guías de luz provenientes de distintas zonas de colectores.

15 Por lo que respecta al receptor, la presente invención es de aplicación para cualquiera que sea el tipo de receptor compatible con el empleo de colectores de concentración y, en su caso, guías de luz.

20 En particular, se prefieren receptores de tubos dispuestos en vertical, por los que circula un fluido caloportador.

Así, los tubos del receptor pueden estar dispuestos en una o en varias filas, siendo preferente la disposición en más de una fila con los tubos

25 solapados para que la radiación incida necesariamente sobre algún tubo. Adicionalmente, los tubos pueden estar o no encerrados en carcasas sometidas a vacío, siendo las carcasas individuales o comunes para una pluralidad de tubos. Además, los tubos pueden estar dotados de recubrimientos antirreflectantes.

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De manera preferente, las guías hacen incidir la radiación sobre los tubos de manera normal a la superficie de dichos tubos, de preferencia desde las dos direcciones opuestas, para evitar tensiones térmicas en los tubos.

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Puesto que la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica a través de células fotovoltaicas presenta un potencial de mayor eficiencia que la transformación a través de un fluido caloportador, la planta de la invención puede incorporar adicionalmente al menos una célula

10 fotovoltaica (preferentemente, una pluralidad), dispuestas en los focos de los colectores, e intercaladas entre los colectores y los dispositivos láser, para transformar parte del espectro solar en energía eléctrica, donde dichas células fotovoltaicas son transparentes a la radiación solar que no transforman, dejando pasar dicha radiación hacia el dispositivo láser. De

15 este modo, a través de las células fotovoltaicas, se puede obtener con mayor eficiencia energía eléctrica para abastecer algunos dispositivos de la instalación, tales como los dispositivos láser o, en su caso, otros consumos de la instalación o incluso para su venta a la red.

20 La invención permite el empleo de células fotovoltaicas de diferentes tecnologías, si bien, para cada planta particular, el rendimiento es óptimo si se seleccionan los diferentes componentes (colectores, guías, células fotovoltaicas, dispositivo/s láser) de manera racional en función de los condicionantes de la planta y de las características ópticas de los

25 elementos.

En cualquier caso, son preferidas las denominadas células HCPV (del

inglés “High Concentration Photovoltaic Cells” células fotovoltaicas de alta

concentración), particularmente, dentro de este tipo, las denominadas

multiunión.

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En el caso de utilizar guías de luz flexibles, el dispositivo láser está adaptado para concentrar, en un rayo láser de longitud de onda compatible con el rango de funcionamiento óptimo de las guías de luz, la radiación concentrada que, de manera directa o a través de la célula fotovoltaica,

5 procede de los focos de los colectores.

Según se acaba de explicar, una parte de la radiación solar es transformada en energía eléctrica por la célula fotovoltaica, otra parte transformada por el dispositivo láser para ser guiada por la guía de luz hacia

10 un receptor de naturaleza termosolar o fotovoltaica, para conseguir un aprovechamiento óptimo del espectro solar.

La invención está adaptada para cualquier tipo de láser, si bien las necesidades de la instalación aconsejarán el empleo de un láser concreto 15 para cada caso, en función también, entre otras cosas, de las características

ópticas del resto de elementos (colectores, guías, células fotovoltaicas).

Un dispositivo láser comprende usualmente un resonador, un amplificador con un medio activo dopado; y una fuente de luz capaz de 20 generar inversión de la población en el medio activo.

En particular, se pueden emplear dispositivos láser con medio activo dopado líquido, gaseoso o sólido (incluidos semiconductores), así como se pueden emplear dispositivos láser tanto con bombeo lateral, como con

25 bombeo longitudinal, siendo este último preferido porque, entre otras cosas, asegura: -una eficiencia de conversión luz solar a luz láser más elevada -una alta calidad del rayo láser que saldría en modo fundamental transversal TEM00 con el máximo grado teórico de colimación (en inglés

30 “diffraction limited beam quality”) si el perímetro de la luz solar concentrada

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se mantiene dentro del volumen del modo fundamental del resonador (al menos dentro del perímetro del cristal del dispositivo láser). El máximo grado de colimación es del orden de la longitud de onda de salida del láser dividido entre el diámetro típico del modo.

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De manera compatible con todas las realizaciones descritas, la planta

de la invención puede incluir adicionalmente unos medios de

almacenamiento para acumular energía.

10 Los medios de almacenamiento están relacionados con los demás elementos de la instalación: así, por ejemplo, los medios de almacenamiento pueden comprender al menos uno seleccionado entre: -acumuladores eléctricos, para acumular la energía eléctrica aportada por las células fotovoltaicas;

15 -tanques de aire/gas caliente, para el caso de que el fluido caloportador de los tubos del receptor sea aire o gas que alimenta una turbina de gas según un ciclo Brayton; -tanques de vapor de agua saturado comprimido, para el caso de que el fluido caloportador de los tubos del receptor sea agua que alimenta

20 una turbina de vapor según un ciclo Rankine, o para que el fluido caloportador sea una sal líquida que calienta, a través de un intercambiador, agua con el mismo fin; -sales a alta temperatura (para el caso de ciclo Rankine con sal).

25 De manera compatible con todas las realizaciones descritas que contienen receptor, la planta de la invención puede incluir una turbina de vapor, una turbina de gas, un motor Stirling, una micro turbina, un elemento AMTEC (del inglés Álcali-metal termal to electric converter, convertidor de térmica a eléctrica de tipo álcali-metal), o células fotovoltaicas del tipo

multiunión, single-union, orgánicas, inorgánicas.

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Tal como se ha explicado, la planta solar de la invención permite

transformar la energía solar en electricidad con rendimientos superiores a los

de las actuales plantas de aprovechamiento de energía solar de manera

5 gestionable y aprovechando eficientemente el ancho del espectro solar (ultravioleta, el visible y el infrarrojo cercano).

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

10 Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

15 Figuras 1a y 1b.-Muestran una comparativa entre, respectivamente, la divergencia de un haz emitido en un dispositivo concentrador de tipo lente y en un haz emitido por un dispositivo concentrador de tipo láser.

20 Figura 2.-Muestra un esquema de funcionamiento de la primera realización de la invención.

Figura 3.-Muestra un esquema de funcionamiento de la segunda realización de la invención.

25 Figura 4.-Muestra un esquema de funcionamiento de la tercera realización de la invención.

Figura 5.-Muestra una vista superior de la planta de la invención, 30 según la tercera realización.

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Figura 6: Muestra una vista superior en detalle de una parte de la planta de la invención según la primera realización.

REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN

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Seguidamente se realiza una descripción de tres realizaciones preferentes de la invención con ayuda de la figuras 1 a 6 adjuntas.

PRIMERA REALIZACIÓN PREFERENTE

10 La invención, tal como se representa en las figuras adjuntas, se refiere a una planta solar para obtener energía (20) (ver figura 5) a partir de radiación solar, con un óptimo aprovechamiento del espectro solar.

15 Tal como se aprecia en la figura 1a, el haz de luz resultante de un primer dispositivo concentrador (31) de tipo lente presenta una cierta divergencia. La divergencia asociada a dichos primeros dispositivos concentradores (31) va ligada a la concentración que alcanzan. Cuanto mayor se quiere concentrar mayor es la divergencia del rayo de salida. El teorema de

20 conservación de la Etendue explica este fenómeno. En sistemas

tridimensionales. n 2 ⋅ A ⋅ sen 2

⎛⎜⎝

β

⎞⎟⎠

= cte

, donde n es el índice de refracción del

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medio, A el área del elemento, perteneciente al primer dispositivo concentrador (31), sobre el que se concentra, y β el ángulo de divergencia de los rayos a la salida de la lente.

25 Para el caso de un segundo dispositivo concentrador (32) de tipo láser, tal como se aprecia en la figura 1b, el semiángulo de divergencia es θ = λ/D, donde λ es la longitud de onda del rayo láser emitido por el dispositivo láser

(32) y D es el diámetro del rayo láser.

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Se comprueba que el valor del semiángulo de divergencia θ es notablemente menor que β/2.

La planta solar, en una primera realización preferente de la invención, 5 comprende los siguientes elementos, según se aprecia en las figuras 2 y 6:

-: una pluralidad de colectores (11) solares dotados de sendos focos

(no mostrados), así como de dispositivos de seguimiento solar (no

mostrados) en dos ejes, dichos colectores solares (11) adaptados para

10 recolectar la radiación solar y concentrar dicha radiación solar en su foco correspondiente; -al menos un dispositivo láser (10) solar, a modo de convertidor solar, donde el dispositivo láser (10) está adaptado para recibir directamente radiación concentrada procedente de los focos de los colectores (11) y

15 transformar dicha radiación concentrada en radiación láser; y -un receptor (1) adaptado para recibir la radiación desde las guías de luz (8) a través de unos segundos extremos (no mostrados), opuestos a los primeros extremos, y emplear dicha radiación para calentar un fluido caloportador (no mostrado) o transmitirla a una captador fotoeléctrico (no

20 mostrado); y / o un reactor solar (21) adaptado para obtener un combustible solar.

Las características de divergencia explicadas anteriormente para el rayo láser permiten dirigir directamente los rayos láser hacia el receptor, a 25 través de meros espejos (26) planos, (ver figuras 2 y 6) sin pérdida apreciable

de potencia.

SEGUNDA REALIZACIÓN PREFERENTE

Para casos en que la distancia entre el receptor y el láser no es tan

21

reducida, la invención incorpora adicionalmente unas guías de luz (8) flexibles que transmiten la luz desde los dispositivos láser hacia el receptor, según se muestra en la figura 3.

5 TERCERA REALIZACIÓN PREFERENTE

En una tercera realización preferente de la invención, que se muestra

esquemáticamente en las figuras 4 y 5, en los focos de los colectores (11)

concentradores, se situará al menos una célula (18) fotovoltaica para

10 transformar en energía eléctrica (I) la radiación concentrada en los focos, dicha célula (18) fotovoltaica es transparente a aquellas longitudes de onda del espectro solar que no es capaz de transformar en energía eléctrica (I). De manera aún más preferente, se emplean células (18) fotovoltaicas HCPV multiunión, pero pueden también emplearse células (18) fotovoltaicas del

15 tipo single – union, orgánicas o inorgánicas.

Las células (18) fotovoltaicas están intercaladas entre los colectores

(11) y el dispositivo láser (10), de tal manera que la radiación procedente de los focos que no sea transformada por la célula (18) fotovoltaica llegará al 20 dispositivo láser (10) tras atravesar dicha célula (18) fotovoltaica. El dispositivo láser (10) transformará dichas longitudes de onda en una o varias longitudes de onda adecuada para que pueda ser transmitida por guías de luz (8) a largas distancias hacia un receptor (1), que puede ser un receptor termosolar o bien fotovoltaico (otra célula fotovoltaica, no representada, por

25 ejemplo).

El empleo de células (18) fotovoltaicas es compatible con cualquiera de las dos realizaciones explicadas anteriormente.

De manera compatible con cualquiera de las realizaciones segunda y

22

tercera descritas, preferentemente se seleccionan guías de luz (8) de alta apertura numérica, aún más preferentemente, de una apertura numérica cercana a 0.9, donde dicha apertura numérica es lo más compatible posible con la apertura de la célula fotovoltaica del láser solar y de los colectores

5 solares.

Con el fin de obtener mayor irradiancia, la planta incorpora lentes (14)

para combinar (multiplexar) la radiación de al menos un conjunto de guías de

luz (8) en al menos una guía combinada (15). Asimismo, se pueden combinar

10 de igual modo guías combinadas (15) entre sí, etc.

Para el caso de emplear receptores (1) de tipo termosolar, las guías

de luz (8) cuyos primeros extremos están dispuestos en ubicaciones

contiguas no inciden sobre ubicaciones contiguas del receptor (1)

15 termosolar, para compensar los efectos de que algunos colectores (11) estén eventualmente en sombra, y así obtener una incidencia más uniforme sobre el receptor. Normalmente, los colectores (11) solares están agrupados en bloques (17). Por tanto, lo que se acaba de explicar se puede implementar según al menos uno cualquiera de los casos de la siguiente

20 lista no exhaustiva: -las guías de luz (8) se dirigen directamente hacia el receptor (1) termosolar de modo que las guías de luz (8) de un mismo bloque (17) no van todas hacia la misma zona del receptor (1), sino que en cada zona del receptor (1), las guías de luz (8) contiguas a las que provienen de un mismo

25 bloque (17) provienen de bloques (17) alejados; -las guías de luz (8) de un mismo bloque (17) se multiplexan en guías combinadas (15), y dichas guías combinadas (15) correspondientes a bloques (17) contiguos se hacen a su vez incidir sobre zonas no contiguas del receptor (1); y

-: las guías combinadas (15) combinan guías de luz (8) provenientes

23

de distintos bloques (17).

Si bien la presente invención es de aplicación para cualquiera que sea el tipo de receptor (1) compatible con el empleo de colectores (11) de

5 concentración y, en su caso, guías de luz (8), en el caso de receptores termosolares, se prefieren receptores (1) de tubos absorbedores (no mostrados) dispuestos en vertical, por los que circula un fluido caloportador.

Así, los tubos absorbedores del receptor (1) pueden estar dispuestos

10 en una o en varias filas, siendo preferente la disposición en más de una fila con los tubos solapados para que la radiación incida necesariamente sobre algún tubo. Adicionalmente, los tubos pueden estar o no encerrados en recipientes transparentes sometidos a vacío, pudiendo ser los recipientes bien de tipo individual para cada tubo absorbedor, o bien existir uno o varios

15 recipientes que son comunes para una pluralidad de tubos absorbedores. Además, los tubos pueden estar dotados de recubrimientos antirreflectantes.

Las guías de luz (8) preferentemente hacen incidir la radiación sobre los tubos absorbedores de manera normal a la superficie de dichos tubos 20 absorbedores, desde dos direcciones opuestas, para evitar tensiones

térmicas en dichos tubos absorbedores.

La invención puede funcionar con cualquier tipo de dispositivo láser (10), si bien se prefiere un dispositivo láser (10) de bombeo longitudinal.

25 La planta de la invención incluye además unos medios de almacenamiento (16) para acumular energía, por ejemplo, en el caso de que la irradiancia solar exceda del valor nominal, o para poder emplear energía almacenada en períodos de baja (o nula) radiación, tales como nublados,

30 noches, etc.

24

La planta de la invención puede incluir adicionalmente medios de transformación (no mostrados) para transformar la energía térmica del receptor en energía eléctrica, tales como una turbina de vapor, una turbina de gas, un motor Stirling, una micro turbina, o un elemento AMTEC .

5

Los medios de almacenamiento (16) están relacionados con los

medios de transformación, de manera que los medios de almacenamiento

se pueden seleccionar entre: -acumuladores eléctricos adaptados para acumular al menos parte

10 de la energía eléctrica producida en un receptor (1) de tipo fotovoltaico; -tanques de aire/gas caliente, cuando el receptor es un receptor termosolar adaptado para calentar un fluido caloportador y los medios de transformación son turbinas de gas;

-: tanques de vapor de agua saturado comprimido; cuando el receptor 15 (1) es de tipo termosolar adaptado para calentar un fluido caloportador y los medios de transformación son turbinas de vapor; y

-: tanques de sales a alta temperatura, cuando el receptor (1) es de

tipo termosolar adaptado para calentar un fluido caloportador que es una sal

para ser empleada en una turbina de vapor según un ciclo Rankine.

20 Tal como se aprecia en la figura 5, los medios de almacenamiento (16) pueden almacenar energía proveniente de las guías (8, 15) o del receptor (1), así como el reactor solar (21) puede recibir energía desde las guías (8, 15). Adicionalmente, se disponen tuberías (25) para transportar fluido caloportador

25 desde el receptor (1) hasta los medios de transformación o hacia algún lugar de aprovechamiento (no mostrado). También se disponen tuberías (25) para transportar fluido caloportador desde el receptor (1) a los medios de almacenamiento (16) y también desde dichos medios de almacenamiento (16) hacia el receptor (1).

30

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Claims

REIVINDICACIONES

1.-Planta solar, que comprende:

-

al menos un colector (11) solar dotado de un foco, dicho colector (11) solar adaptado para recolectar la radiación solar y concentrar dicha radiación solar en el foco;

-

al menos un dispositivo láser (10) solar, a modo de convertidor solar, donde el dispositivo láser (10) está adaptado para recibir, directa o indirectamente, radiación concentrada procedente de los focos de los colectores (11) y transformar dicha radiación concentrada en radiación láser; y

-

un receptor (1) y / o un reactor solar (21), adaptados para recibir la radiación proveniente de los dispositivos láser (10) y transformar dicha radiación en otro tipo de energía, donde el receptor (1) está adaptado para emplear dicha radiación en calentar un fluido caloportador (no mostrado) o transmitir dicha radiación a un captador fotoeléctrico (no mostrado), así como el reactor solar

(21) está adaptado para obtener un combustible solar, caracterizada porque incorpora adicionalmente unas lentes (14) cada una de dichas lentes (14) adaptada para multiplexar la radiación en al menos una guía combinada (15).
2.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende adicionalmente sendos espejos planos (26) adaptados para dirigir por reflexión la luz procedente de los dispositivos láser (10) hacia las lentes (14).
3.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende adicionalmente sendas guías de luz (8) flexibles, adaptadas para recoger por un primer extremo la radiación emitida por los dispositivos láser

(10) y transportar dicha radiación hacia las lentes (14)..
4.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende adicionalmente al menos una célula (18) fotovoltaica intercalada entre los colectores (11) y los dispositivos láser (10),

24

donde la célula (18) fotovoltaica está adaptada para recibir una parte de radiación concentrada en los focos y transformarla en electricidad, así como es transparente a la parte que no puede transformar, permitiendo que dicha parte no transformada llegue a los dispositivos láser (10).

5
5.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque las células (18) fotovoltaicas son células HCPV.
6.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque, las 10 células (18) fotovoltaicas son células HCPV de tipo multiunión.
7.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el receptor (1) se selecciona de una lista que consiste en: -receptor termosolar; 15 -receptor fotovoltaico.
8.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los colectores (11) solares se seleccionan de entre una lista que consiste en:

20 -colectores de disco de tipo paraboloide, -colectores de tipo lente de Fresnel, -colectores avanzados, elaborados en base a óptica anidólica.
9.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, 25 caracterizada porque comprende adicionalmente al menos un dispositivo de seguimiento según dos ejes para orientar los colectores.
10.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque cada colector solar está asociado a su propio dispositivo de seguimiento 30 individual.
11.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque

25

comprende al menos un dispositivo de seguimiento asociado a una pluralidad de colectores (11).
12.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, 5 caracterizada porque las guías de luz (8) se seleccionan de entre una lista que

consiste en: -guías de fibra óptica tradicional; -guías de tipo PCF; -guías de luz líquidas.

10
13.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de fibra óptica tradicional se seleccionan de entre una lista que consiste en:

-

guias de tipo MCVD, y 15 -guías de tipo OVD.
14.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de tipo PCF se seleccionan de entre una lista que consiste en: -guías de tipo IGF; 20 -guías de tipo PBF; y
15.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de tipo PCF son guías de luz (8) dopadas con P2O5.

25 16.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque las guías de luz (8) están elaboradas con materiales seleccionados de una lista que consiste en:

-

guías de luz de sílice fundida; -guías de luz de cristal ZBLAN; y 30 -guías de luz de cristal GaLaS.

26
17.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 7,caracterizada porque el receptor (1) es de tipo termosolar, donde la radiación incidente sobre zonas contiguas del receptor (1) proviene de guías (8, 15) ubicadas en zonas no

5 contiguas de los colectores (1).
18.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque las guías de luz (8) se dirigen directamente hacia el receptor (1), de modo que no todas las guías de luz (8) de una misma zona de colectores (11) inciden en

10 la misma zona del receptor (1), sino que en cada zona del receptor (1), las guías de luz (8) contiguas a las que provienen de una zona de colectores (11) provienen de zonas de colectores (11) alejadas.
19.- Planta solar de acuerdo con las reivindicaciones 17 y 18, caracterizada

15 porque las guías de luz (8) de una misma zona de colectores (11) se multiplexan de modo que las guías combinadas (15) contiguas en el receptor

(1) combinan guías de luz (8) que provienen de zonas de colectores (11) alejadas.

20 20.-Planta solar de acuerdo con las reivindicaciones 17 y 18, caracterizada porque las guías combinadas (15) combinan guías de luz (8) provenientes de distintas zonas de colectores (11).
21.- Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones

25 anteriores, caracterizada porque el dispositivo láser (10) es de bombeo longitudinal.
22.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque incorpora adicionalmente unos medios de

30 almacenamiento (16) para almacenar parte de la radiación solar transformada.
23.- Planta solar de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizada porque los

27

medios de almacenamiento (16) comprenden al menos uno seleccionado de la

lista que consiste en: -acumuladores eléctricos; -tanques de aire/gas caliente;

5 -tanques de vapor de agua saturado comprimido; y -tanques de fluido caloportador a alta temperatura de tipo sal.
24.-Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende adicionalmente medios de 10 transformación para transformar la energía térmica del receptor en energía eléctrica.
25.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizada porque los medios de transformación se seleccionan entre al menos uno de una lista

15 que consiste en: -turbina de vapor, -turbina de gas, -motor Stirling, -micro turbina, y

20 -elemento AMTEC.
26.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el reactor solar (21) está adaptado para obtener al menos un combustible solar seleccionado de una lista que consiste en:

25 -hidrógeno, directamente a partir de agua a una temperatura no superior a 2000 ºC; y -amonia, a partir de nitrógeno e hidrógeno.
27.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 26, caracterizada porque el 30 reactor solar (21) está adaptado para obtener hidrógeno empleando Zinc.
28.-Planta solar de acuerdo con la reivindicación 26, caracterizada porque el

28

reactor solar (21) está adaptado para obtener hidrógeno empleando procesos de sulfuro de yodo.

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