ES2408788B1 - Colector solar de concentración parabólico. - Google Patents

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Abstract

Colector solar de concentración parabólico (1) conformado en base a un paraboloide apoyado en una rótula (3) adaptada para seguir del disco solar caracterizado porque en el centro de la base del paraboloide se dispone perpendicularmente un fuste (4) en cuyo extremo opuesto a la superficie del paraboloide se ubica un reactor catalítico (5) así como tubos de alimentación en su interior en sentido ascendente (6) para permitir el paso de los productos iniciales hacia el reactor y tubos de recogida en sentido descendente (7).

Description

Colector solar de concentración parabólico
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un colector solar de concentración parabólico, en particular un colector solar de concentración parabólico que incorpora un reactor catalítico.
El colector solar de la invención permite obtener, a partir de la energía y el vapor de agua generado en el propio colector, mediante el diseño de un grupo único conformado en base a un elemento concentrador solar parabólico y un elemento reactor dispuesto en el mismo, diversos productos útiles en la generación de energía limpia mediante diferentes reacciones de catálisis.
El objeto de la invención es, por tanto, proporcionar un colector solar de concentración parabólico que incorpora un reactor catalítico en el cual se producen, mediante los productos de partida adecuados y los catalizadores correspondientes, productos finales que permitan almacenar la energía solar, tales como hidrógeno, metano o alcoholes inferiores.
Antecedentes de la invención
La concentración de la luz solar se consigue mediante dispositivos ópticos que reciben el nombre genérico de colectores de concentración. Estos colectores constan de un receptor y del concentrador propiamente dicho. La luz incide sobre el concentrador y es reflejada hacia el receptor, que es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte en otro tipo de energía, en general energía térmica o química.
A este respecto, por ejemplo la electrólisis del agua es una tecnología bien conocida. De forma teórica se puede afirmar que la electrólisis del agua se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos sumergidos en un electrolito. El proceso de electrólisis puede ocurrir tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas, en cuyo caso, en lugar de agua, lo que se tiene es vapor. Este método presenta la ventaja de requerir una entrada de energía eléctrica menor debido a la dependencia del proceso de electrólisis con la temperatura. En este caso, la energía que se suministra en forma de calor no está sometida al límite impuesto por el rendimiento del ciclo ideal de Carnot en la conversión de energía térmica a electricidad. Esta ventaja también es aprovechable en los métodos termoquímicos de producción de hidrógeno, donde se emplea una fuente calorífica de alta temperatura para llevar a cabo una reacción endotérmica. Las primeras investigaciones en este campo estuvieron muy ligadas al desarrollo de la energía nuclear. Estos ciclos termoquímicos conocidos no son exclusivamente nucleares, ni exclusivamente solares ya que, en general, se pueden acoplar a ambas fuentes de energía. Sin embargo, aquellos que se utilizan con reactores nucleares presentan la característica de emplear temperaturas “moderadas” (no superiores a 1000K), que garantizan un funcionamiento seguro del reactor. En el caso solar, la limitación de temperatura no es tan restrictiva. Para conseguir elevadas temperaturas se utilizan preferentemente centrales de torre y discos parabólicos, dispositivos que se incluyen dentro de la categoría de colectores concentradores de enfoque. Estos colectores de concentración se diferencian de los fijos o semi-fijos en que poseen un mecanismo de seguimiento del sol; de esta forma, el concentrador siempre está orientado hacia el disco solar y la radiación directa incide perpendicularmente sobre el mismo.
Los altos flujos de radiación que se consiguen con los sistemas ópticos para concentración solar dan lugar a temperaturas estacionarias por encima de los 3000K, que permiten que la conversión de la energía solar a energía térmica se realice a temperaturas del orden de 2000K y superiores, que son las que se emplean en los ciclos termoquímicos de dos pasos que se basan en la reducción de un óxido metálico. El primer paso, endotérmico, es la reducción, mediante energía solar, del óxido metálico (MxOy). Como se observa, esta reducción puede ser al metal o a un óxido metálico de menor valencia. También se puede realizar una carboreducción del óxido metálico utilizando como agente reductor carbón o gas natural. El segundo paso, que no requiere de energía solar, es la hidrólisis exotérmica del agua, acompañada de la oxidación del metal, para formar el hidrógeno y el correspondiente óxido metálico. Ya se ha comprobado experimentalmente que la reacción de separación de la molécula de agua ocurre de forma exotérmica y con una tasa de realización razonable cuando se burbujea vapor a través del metal fundido, a temperaturas del orden de 700K. La reacción neta da como resultado hidrógeno gas y oxigeno gas, pero, puesto que el hidrógeno y el oxígeno se forman en pasos diferentes, no es necesaria una separación de los mismos a altas temperaturas.
Así, para este caso del almacenamiento de la energía en forma de hidrógeno a partir de reacciones termoquímicas a alta temperatura, es necesaria la producción de vapor de agua a alta temperatura aprovechando al máximo la energía solar, así como disponer de un reactor de catálisis donde se produzcan las reacciones termoquímicas necesarias. Las mismas o similares consideraciones serían aplicables para el almacenamiento de la energía solar en forma de otros productos, por ejemplo, en forma de metano o de alcoholes inferiores (etanol, metanol), siendo en todos los casos el sol recogido en un colector solar la fuente de energía directa para proporcionar la temperatura necesaria de reacción de los diferentes procesos termoquímicos.
En este sentido, son conocidos diversos tipos de dispositivos para el aprovechamiento de la energía solar para producir electricidad, entre los que cabe destacar tres tipos fundamentales: paneles planos, colectores semicilíndricos y colectores parabólicos. Por ejemplo la ES 1 066 621, "Instalación para paneles solares", describe una instalación que comprende un marco estructural de asiento para paneles solares montado en forma basculante alrededor de un eje medio horizontal situado sobre unos soportes y dispuesto en el sentido de una de las dos mayores dimensiones del mismo, disponiendo dicho marco estructural, en correspondencia con dos puntos antagonistas de la disposición de paneles solares, de sendos terminales que, a través de otras tantas conexiones giratorias, se enlazan uno de dichos terminales a uno de los extremos de un primer tramo flotante de conducción que, por su otro extremo está dotado de otro elemento de conexión giratoria con la que se conecta directamente a un conjunto exterior al marco estructural que constituye un circuito de control y de organización del flujo de energía circulante por los paneles solares, mientras que el otro terminal se enlaza a uno de los extremos de un segundo tramo flotante de conducción que, por su otro extremo, también dotado de un elemento de conexión giratoria, se enlaza a un tercer tramo flotante de conducción, el cual está también conectado, mediante un elemento de conexión giratoria al citado conjunto exterior que constituye el circuito de control del marco estructural y de organización del flujo de la energía solar circulante por la disposición de paneles solares. La US 4.286.579 describe un sistema de recogida de la energía solar que incluye un reflector parabólico, un tubo de vaporización lineal alineado con la línea focal del reflector parabólico y una alimentación de fluido en el extremo de entrada del tubo de vaporización para transferir el calor desde el fluido mediante un intercambiador de calor.
Sin embargo, en todos estos colectores conocidos de la técnica anterior no se proporciona, en un mismo dispositivo, la capacidad de aprovechamiento de la energía solar directamente y la obtención de productos que permitan su almacenamiento, mediante la incorporación de un reactor catalítico al colector solar de concentración parabólico.
Descripción de la invención
La invención proporciona un colector solar de concentración parabólico que incorpora un reactor catalítico en el cual se producen, mediante los productos de partida adecuados y los catalizadores correspondientes, productos finales que permiten almacenar la energía solar, tales como hidrógeno, metano o alcoholes inferiores.
A continuación se describe la invención en base a una realización de la misma y a la Figura 1, la cual muestra una vista del colector solar de concentración parabólico de acuerdo con la invención.
Así, el colector solar de concentración parabólico (1) de la invención se conforma en base a un paraboloide recubierto de un material reflectante, cuya curvatura es igual a la del paraboloide, de forma que la reflexión de la energía solar permite su concentración en un punto o foco (2), donde está dispuesta una lente Fresnel. El colector se apoya en una rótula (3) y está adaptado al seguimiento del disco solar para maximizar la captación de energía. En el centro de la base del paraboloide se dispone perpendicularmente un fuste (4), en cuyo extremo opuesto a la superficie del paraboloide se ubica un reactor catalítico (5) en el cual se producen las reacciones termoquímicas que permiten almacenar la energía solar del concentrador en forma de energía química, bien como hidrógeno gas, o bien como alcoholes inferiores o en forma de gas metano, dependiendo de los catalizadores correspondientes. Para alimentar los productos de partida necesarios en estas reacciones de catálisis, el citado fuste dispone en su interior de tubos de alimentación en sentido ascendente (6) para permitir el paso de los productos iniciales hacia el reactor, así como de tubos de recogida en sentido descendente (7) que permiten el intercambio de calor y la recogida de los productos gaseosos finales hacia un tanque de almacenamiento (hidrógeno, alcoholes inferiores o metano), si es el caso haciéndolos pasar previamente a través de un intercambiador de gases.
En una realización preferente de la invención, el colector solar de concentración parabólico incluye un reactor catalítico para la obtención de hidrógeno a partir del vapor de agua alimentado al mismo por la tubería ascendente citada anteriormente. Para ello, en el reactor se emplea un óxido metálico como catalizador, preferentemente un par redox de óxido de zinc y zinc, según la ecuación general:
MxOy -xM + y/202
Con el par redox preferente de óxido de zinc y zinc:
ZnO(s) - Zn(g) + 0,502 aprox. 3500K
Zn(l)+ H2O(g) -Zn0(s) + H2(g)
El primer paso, endotérmico, es la reducción, mediante energía solar, del óxido metálico MxOy, preferentemente ZnO, mediante la alimentación al catalizador, en estado fundido por la energía solar concentrada en el colector, de vapor de agua obtenido a partir del propio colector solar. La hidrólisis del agua, con oxidación del metal, se produce exotérmicamente para generar hidrógeno gas, recuperándose en el catalizador el óxido metálico empleado. El hidrógeno gas obtenido circula enfriándose a través de la tubería descendente del fuste del colector y entonces se almacena. El oxígeno obtenido como subproducto puede extraerse del reactor para una posible utilización posterior en otros procesos, no siendo en este caso necesario un intercambiador de gases tal como se ha mencionado anteriormente.
En otra realización preferente de la presente invención, el colector solar de concentración parabólico incluye un reactor catalítico para la obtención de metano a partir de gas de agua alimentado al mismo mediante un proceso de metanación de dióxido de carbono o reacción de Sabatier, o de monóxido de carbono, consistiendo el catalizador en este caso en TiO2-Pt-Cu en fase sólida, según la reacción:
5 4H2 + C02 - CH4 + 2H2O
3H2 + C0 -CH4 + H2O
En otra forma de realización, el colector solar de concentración parabólico incluye un reactor catalítico para la obtención de alcoholes inferiores a partir de gas de síntesis, por ejemplo siguiendo un proceso de tipo Lurgi, mediante la alimentación al catalizador de gas hidrógeno, según el siguiente esquema,
10 C0 + H2
CH30H CO2 + H2
CH30H
o bien mediante una alimentación de vapor de agua, según las ecuaciones siguientes:
CO2 + H2O -CH30H + 02
CO2 + H2O -C2H50H + 02
Para ello, el reactor dispone de un catalizador de tipo AI/AI2O3, de forma que la reacción se produce a una 15 temperatura de 420º y a presión atmosférica.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Colector solar de concentración parabólico (1) conformado en base a un paraboloide apoyado en una rótula (3) adaptada para seguir del disco solar caracterizado porque en el centro de la base del paraboloide se dispone perpendicularmente un fuste (4) en cuyo extremo opuesto a la superficie del paraboloide se ubica un reactor catalítico
    5 (5) así como tubos de alimentación en su interior en sentido ascendente (6) para permitir el paso de los productos iniciales hacia el reactor y tubos de recogida en sentido descendente (7).
  2. 2. Colector solar de concentración parabólico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el reactor catalítico (5) incluye un catalizador de par redox óxido de zinc-zinc y se alimenta por la tubería ascendente (6) con vapor de agua para la obtención de hidrógeno.
    10 3. Colector solar de concentración parabólico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el reactor catalítico (5) incluye un catalizador de TiO2-Pt-Cu y se alimenta por la tubería ascendente (6) de gas de agua o dióxido de carbono e hidrógeno para la obtención de metano.
  3. 4. Colector solar de concentración parabólico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el reactor
    cataIitico (5) incIuye un cataIizador de AI/AI2O3 y se alimenta por la tubería ascendente (6) de gas de síntesis e 15 hidrógeno gas para la obtención de alcoholes inferiores.
    FIG. 1
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201131865
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 21.11.2011
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 2010180931 A1 (GOEDE GABO) 22.07.2010, 1-4
    párrafos [1,2,40-42,82]; figuras 1,6.
    A
    ES 2157179 A1 (TORRES INGENIERIA DE PROCESOS) 01.08.2001, 1
    columna 6, líneas 34-55; figura 1.
    A
    WO 9012989 A1 (GOEDE GABOR) 01.11.1990, 1
    página 12, líneas 18-36; resumen; figura 1.
    A
    US 4875467 A (MURPHY LAWRENCE M) 24.10.1989, 1
    columna 3, líneas 35-51; columna 4, líneas 8-22; figura 1.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 28.06.2012
    Examinador J. Merello Arvilla Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201131865
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
    F24J2/12 (2006.01) F24J2/54 (2006.01) F28D20/00 (2006.01) B01J19/12 (2006.01)
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    F24J, F28D, B01J
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados)
    INVENES, EPODOC, WPI
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131865
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 28.06.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Consideraciones:
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131865
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2010180931 A1 (GOEDE GABO) 22.07.2010
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento D01 se considera el más próximo en el estado de la técnica a la invención de acuerdo con las reivindicaciones de la solicitud de patente objeto de la presente Opinión Escrita. Las referencias numéricas utilizadas son relativas al documento D01. El documento D01 presenta un colector solar de concentración parabólico (1) conformado en base a un paraboloide apoyado en una rótula (3) para el seguimiento solar; de la periferia del paraboloide parten unos elementos soporte (8) en cuyo extremo se ubica un reactor (7); por el interior de dichos elemento soporte (8) discurren las conducciones necesarias para el reactor (7). La diferencia entre el documento D01 y la primera reivindicación de la solicitud de patente en estudio estriba en el hecho de que de acuerdo con esta última el reactor se encuentra soportado en el extremo de un fuste que parte perpendicularmente del centro de la base del paraboloide mientras que en la invención de acuerdo con D01 el reactor (7) se encuentra sustentado por unos elementos soporte (8) que parten de la periferia del paraboloide (1). El optar por un sistema u otro de sustentación se considera una opción de diseño obvia para un experto en la materia. Por tanto, a la luz del estado de la técnica indicado, la primera reivindicación de la solicitud de patente, por no encontrarse recogida en el estado de la técnica, tiene novedad (Ley 11/1986, Art.6.1.) pero, por resultar obvia para un experto en la materia, carece de actividad inventiva (Ley 11/1986, Art.8.1.) .
    Por contar la primera reivindicación con novedad las reivindicaciones dependientes de la misma, es decir las reivindicaciones 2 a 4, cuentan a su vez con novedad (Ley 11/1986, Art.6.1.).
    El documento D01 en sus párrafos 40-42 anticipa la invención de acuerdo con la reivindicación 2 de la solicitud de patente en estudio haciendo que ésta carezca de actividad inventiva (Ley 11/1986, Art.8.1.).
    Las reivindicaciones 3 y 4 no poseen característica técnica alguna que en combinación con las características técnicas de las reivindicaciones de las que dependen haga pensar en la existencia de actividad inventiva (Ley 11/1986, Art.8.1.).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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