ES2427020B1 - Planta de concentración solar con absorbedor plano optimizado - Google Patents

Abstract

Planta de concentración con absorbedor plano optimizado, comprende un conjunto de lamas especulares que diariamente giran para dirigir la radiación solar a un absorbedor optimizado. Este integra planos secundarios, sensores tipo LDR (Light Dependent Resistor), vidrio con la curvatura adecuada para minimizar pérdidas y novedosa pieza de sujeción de tubos en su interior. La forma y diseño de absorbedor se optimieza teniendo en cuenta: a.- Posición de montaje del absorbedor. b.- Posibles desplazamientos estacionales del absorbedor sobre la dirección longitudinal. c.- Forma de las lamas. d.- Espejo en extremo de absorbedor para minimizar desplazamientos. También se mejora el movimiento de lamas al realizarse conjuntamente con mecanismo de la invención y mediante lazo cerrado de control óptimo, para lo que se disponen los elementos necesarios.

Description

DESCRIPCIÓN

Planta de concentración solar con absorbedor plano optimizado

AMBITO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra en el sector técnico de la generación de calor mediante energía solar, en concreto mediante el uso de concentradores lineales de Fresnel. 5

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La concentración solar es uno de los puntos de mayor interés tecnológico en la extensión del uso de las energías renovables, tanto para la producción de calor como de electricidad. Dentro del ámbito de la concentración se distinguen los sistemas de refracción o basados en lentes convergentes y los de reflexión o basados en espejos. En ambos casos, en función de la geometría del receptor de radiación se distinguen los de foco lineal y los de foco 10 puntual. Los seguidores de foco lineal están más limitados en su factor de concentración. Sin embargo ofrecen ventajas interesantes en su materialización y operación. Así, en sus componentes predominan las geometrías de superficies planas y cilíndricas que al ser desarrollables facilitan la fase de fabricación. Los movimientos de seguimiento se encuentran limitados a un solo grado de libertad, lo que facilita esta operación. Aún dentro de los concentradores clasificados como lineales se distinguen diferentes tecnologías en función del grado de 15 concentración deseado. El factor de concentración, dentro de los aprovechamientos térmicos, está fuertemente relacionado con la temperatura deseada en el fluido caloportador. Los concentradores cilindroparabólicos ofrecen los mayores valores de factor de concentración y, por tanto, la posibilidad de obtener los mayores saltos térmicos a igualdad de superficie captadora. Tecnológicamente, estos concentradores implican la necesidad de movimiento de grandes superficies reflectoras, lo que implica el uso de estructuras resistentes costosas pues deben soportar la 20 superficie de reflectante impidiendo deformaciones o flechas que alteren la óptica concentradora. Igualmente, deben soportar las cargas de viento, que, normalmente son proporcionales al factor de concentración. Los concentradores en artesa o V-trough ofrecen factores de concentración muy bajos. Su gran ventaja radica en su gran facilidad de construcción. No requieren gran precisión en el seguimiento solar y sus necesidades estructurales son mínimas. Los sistemas basados en concentradores tipo Fresnel, como el reivindicado en el presente documento dan lugar, por su 25 naturaleza, a valores de concentración intermedios que los hacen especialmente interesantes en aplicaciones donde se requieren temperaturas finales en el fluido caloportador comprendidas entre 100 y 300ºC. Presentan la ventaja de fragmentar la superficie reflectora en un conjunto de lamas planas o con ligera curvatura. Cada una de ellas gira alrededor de un eje fijo de manera que los rayos reflejados convergen hacia una zona focal de geometría lineal donde se dispone el sistema receptor de energía radiante. El movimiento de las lamas se encuentra condicionado 30 por la orientación e inclinación del plano envolvente de las mismas. Si bien el ángulo de cada lama será diferente para hacer llegar la radiación solar directa al eje del receptor. Otro atributo del concentrador de Fresnel viene dado por las bajas fuerzas de empuje aerodinámico que el viento puede ejercer sobre su estructura debido al paralelismo entre el conjunto de lamas reflectoras y el plano de apoyo, normalmente el terreno o cubierta de edificación. Este atributo implica que las estructuras portantes del sistema concentrador sean esbeltas. 35

El concentrador lineal de Fresnel, presenta ventajas pero también inconvenientes sobre los que se invierten esfuerzos de mejora tecnológica. Así, se encuentra, que este tipo de absorbedor da lugar a unas pérdidas radiativas por final de absorbedor debidas a que los rayos incidentes en una zona próxima a uno de los extremos de las lamas se concentran en un lugar del espacio donde ya no llega el receptor. También se puede comprobar como las geometrías utilizadas en lamas producen perfiles faltos de uniformidad en los receptores. Los elementos 40 absorbedores no se encuentran suficientemente optimizados para su uso en medias temperaturas.

En latitudes medias, la captación energética mediante sistemas de concentración Fresnel solar muestra una elevada estacionalidad. En fase de diseño, la mencionada estacionalidad se puede modular para potenciar la producción energética en diferentes épocas del año en detrimento de la producción en verano. Esta es una de las líneas de mejora fundamentales en la tecnología de sistemas solares basados en concentradores Fresnel para usos térmicos 45 y sobre la que incide la presente memoria.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

Se presenta la invención de una planta solar térmica de concentración tipo Fresnel que se caracterizada por la aplicación de un conjunto de soluciones tecnológicamente novedosas, que óptimamente combinadas, dan lugar a sistemas adaptables a curvas de demanda calorífica estacionales. 50

El sistema primario de concentración Fresnel está constituido un conjunto de lamas reflectantes, con dimensión predominantemente longitudinal y ejes de giro paralelos a dicha dirección longitudinal y coplanarios con el plano envolvente o del bastidor. El sistema en su concepción global es estático por lo que se dispone sobre el terreno o sobre edificios construidos con una orientación e inclinación fijas durante la vida útil de la planta. Los únicos elementos con movimiento son las lamas, con movimiento diario automatizado, y el absorbedor, con posible 55

movimiento no automatizado y estacional. Para el movimiento de las lamas se dispone un controlador electrónico y un mecanismo de accionamiento que realiza el movimiento de las mismas para que los rayos solares tras reflejarse, incidan en la ventana del absorbedor.

La planta objeto de la invención combina diferentes soluciones tecnológicas en diferentes puntos de la misma que a continuación se detallan. Resulta, por tanto, necesario un método que permita la optimización global y simultánea 5 dentro del amplio espacio de soluciones resultante tras tener en cuenta la conjunción de mejoras propuestas.

Las mejoras consisten en:

- En el absorbedor solar térmico, basado en sistema de tuberías soldadas a chapa absorbente con pintura o tratamiento selectivo, con cerramiento lateral y superior, térmicamente aislado y una ventana inferior con vidrio de alta transmitancia, se integrarán como novedades tecnológicas: 10

o Espejos reflectores secundarios planos (15) en los que se distribuyen e integran sensores calibrados de radiación solar tipo LDR (Light Dependent Resistor). El ancho de los espejos secundarios será el que optimice la captación solar deseada. La falta de curvatura en estos espejos se compensará con movimientos de ajuste en los reflectores primarios. Se trata de un movimiento basado en lazo de control cerrado o realimentado con los datos de distribución de radiación en espejos secundarios (15). 15 Dichos datos son captados por los sensores de radiación tipo LDR (16).

o Cobertura de vidrio con curvatura óptima para minimizar las pérdidas por reflexión.

o Sistema de sujeción de los tubos y la chapa absorbente a la carcasa del absorbedor de modo que evita la deformación elástica de los tubos, ya que por su propio peso flectarían. Al tiempo, el sistema de sujeción deberá minimizar las pérdidas caloríficas por conducción a su través. 20

- La unidad de receptor térmico incorpora un sistema de control electrónico que monitoriza el movimiento de lamas para conseguir una distribución óptima de radiación solar en el interior del absorbedor solar. A dicho controlador se conectan los sensores de radiación integrados en el absorbedor y será el controlador el que realice la adecuación y tratamiento de las señales de medida dando las órdenes de movimiento a las lamas. En caso de sobrecalentamiento del elemento absorbedor, el controlador realizará un desenfoque regulado de las 25 lamas hasta conseguir en el interior del absorbedor los niveles de radiación requeridos.

- La planta solar térmica de concentración tipo Fresnel objeto de esta invención incorpora la posibilidad de desplazamiento estacional del elemento receptor. Con ello se consigue aprovechar la radiación concentrada en el extremo Norte del absorbedor. Para acotar el recorrido de este desplazamiento en el extremo Norte se dispondrá de una superficie reflectante con forma triangular que redirija los rayos solares hacia el absorbedor, 30 situado al Sur.

- La planta solar térmica de concentración tipo Fresnel objeto de esta invención dispone la posibilidad constructiva de disponer el absorbedor asimétricamente respecto del plano de lamas. Ello permite:

o En plantas con orientación predominante N-S: Desplazar de modo sistemático el máximo de producción energética hacia las horas de la mañana o de la tarde. 35

o En plantas con orientación E-W: Desplazar de modo sistemático el máximo de producción energética hacia el invierno o el verano

- Accionamiento único del conjunto de lamas mediante un empujador y múltiples bielas a cada una de las cuales se fija una lama mediante una pieza ranurada y con forma de sector circular.

- La planta solar térmica de concentración tipo Fresnel objeto de esta invención cuenta con la posibilidad de 40 incorporar lamas que presentan pliegues longitudinales para modificar la distribución espacial de radiación dentro del absorbedor.

- La planta solar térmica de concentración tipo Fresnel objeto de esta invención, al poder incorporar diferentes opciones dentro de cada tipo de mejora tecnológica, requiere de un modelo físico implementado en una aplicación informática que permita dimensionar la planta objeto de esta invención de modo adecuado a los 45 requerimientos de cada caso.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción de esta invención y facilitar la compresión de la misma, se adjunta un conjunto de figuras donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado:

Figura 1. Vista general del módulo básico de la planta de concentración solar tipo Fresnel con absorbedor 50 plano optimizado.

Figura 2. Sección transversal del absorbedor plano optimizado.

Figura 3. Detalle de los tubos soldados a la lámina absorbedora.

Figura 4. Vista frontal de la estructura soporte en la que se ilustran las distintas posiciones contemplada.

Figura 5. Detalle del mecanismo de accionamiento único. 55

Figura 6. Vista lateral de la planta de concentración solar en la que se aprecian las posiciones optimizadas del absorbedor para invierno y verano.

Figura 7. Detalle de las cuatro lamas que se presentan en la invención.

Figura 8. Vista frontal de la superficie reflectora situada en el extremo norte.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN 5

La presente invención se refiere a una planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor (2) plano optimizado. La figura 1 muestra una visión global de la planta, que se compone de un conjunto de reflectores primarios (1) cuya superficie reflectante podrá ser plana o prismática. Las lamas podrán girar alrededor de ejes longitudinales que definen el plano envolvente de reflectores primarios. El plano envolvente viene delimitado por un bastidor (3) que es fijo durante la vida de la instalación. Este bastidor se mantiene paralelo al terreno o a la 10 superficie del edificio sobre el que se apoya. Aunque el bastidor puede tener cualquier orientación e inclinación, la situación preferente es horizontal y con orientación de lamas Norte–Sur. Un controlador electrónico (37), dotado de un sistema de medición de radiación basado en sensores tipo LDR (16), y un sistema actuador, dan lugar a un movimiento conjunto de las lamas de forma que todas giran igual ángulo con la finalidad de maximizar la radiación incidente en el absorbedor. En su posición inicial las lamas se encuentran adecuadamente desfasadas para que los 15 rayos reflejados converjan dentro de una zona focal donde está colocado el absorbedor (2). El colector se apoya a unos raíles elevados (23) y suspendidos en unos soportes fijos (4). El absorbedor se puede mover sobre las piezas de sujeción estacionalmente para aprovechar de mejor manera la radiación del extremo Norte. No obstante para aprovechar esta radiación y limitar el desplazamiento al Norte se dispone una superficie reflectante plana y vertical (8), perpendicular al eje del absorbedor, esta superficie refleja los rayos que convergen en la zona de 20 prolongación del absorbedor, pero donde este ya no llega, recuperando estos rayos pues tras la reflexión estos se dirigen al absorbedor.

La figura 2 muestra mediante una vista de sección transversal las novedades tecnológicas introducidas en el absorbedor (2). El sistema absorbedor está basado en la transmisión de la energía que incide en modo radiante a una placa o chapa absorbente (12) y, tras ser absorbida, es transmitida en forma de calor por conducción a través 25 de una soldadura (13) a un conjunto de tubos (11) por cuyo interior circula un fluido caloportador (30) que, por convección, es el receptor final de la energía captada. Las novedades tecnológicas introducidas consisten en la disposición lateral de superficies especulares (15) que actúan como reflectores secundarios y dan lugar a una homogeneización y redistribución de la energía radiante sobre la superficie absorbente (12). Para un adecuado control de la distribución espacial de la energía incidente, el absorbedor dispone de un conjunto sensores de 30 radiación tipo LDR (16) o Light Dependent Resistor insertados en los reflectores secundarios (15), que alimentan al controlador electrónico (37). Preferentemente y sólo a título orientativo, se coloca un sensor por cada metro de absorbedor. Con la información procesada de radiación, el controlador puede determinar el movimiento necesario a imprimir en las lamas (1) para lograr una distribución óptima de la radiación en el plano absorbente. También en la figura 2 se observa como novedad tecnológica introducida, el cierre de la ventana del absorbedor mediante un vidrio 35 curvado (14). La curvatura está determinada por un método de maximización de captación dentro del absorbedor, o lo que es equivalente la minimización de la reflexión de dicho elemento. También como novedad, se presenta el sistema de sujeción (17) de las tuberías. Para impedir su deformación o flecha que genera su peso propio se dispone de pieza con alojamientos ahuecados (17) en cuyas ranuras encajan las tuberías. Esta pieza se realiza de material aislante térmico que limite las pérdidas caloríficas y está atornillada (20) a la carcasa. La figura 3 muestra 40 detalles la forma e inserción de la pieza de sujeción (17). El absorbedor incorpora como novedad unas hendiduras (21) en su carcasa que le permiten deslizar por raíles suspendidos (23), a lo largo de una dirección longitudinal al mismo. El absorbedor incorpora un bornero (28) donde se hacen accesibles las conexiones eléctricas de los sensores (16). Al absorbedor presentado se le considera una unidad con entidad propia dentro del sistema Fresnel. Su materialización adecuada para una aplicación y clima concreto no puede entenderse como la adición elementos 45 óptimos aislados y requiere un proceso de optimización conjunta.

La figura 4 muestra detalles de cómo los soportes (4) de los raíles (23) en los que se inserta el absorbedor (2) pueden fijarse en diferentes perforaciones (31) practicadas en el bastidor (3). De esta manera, en la realización preferente, el absorbedor puede quedar desplazado al Este ó al Oeste. En la medida que el absorbedor se desplaza al Este (Oeste) se retrasa (adelanta) el momento de captación de potencia pico respecto del mediodía solar. En 50 realizaciones no preferentes este retraso/adelanto será estacional.

La figura 5 muestra detalle del mecanismo presentado como novedad para conseguir un movimiento simultáneo de giro de cada lama alrededor su eje al tiempo que permite desfasar cada lama respecto del conjunto un ángulo deseado. El mecanismo se compone de un motor (5) que hace girar a una varilla roscada (6) desplazando de esta manera a una biela maestra (29) que a su vez desplaza a un empujador (7) que se articula con las diferentes bielas 55 (24). Para conseguir desfasar el ángulo que forman las bielas con el plano de las lamas se utiliza la pieza de chapa en forma de sector circular (25) que presenta una ranura circular. Mediante tornillos (32) que roscan en el cuerpo de cada biela se hacen solidarias la piezas (25) con sus respectivas bielas.

La figura 6 muestra un detalle de desplazamiento estacional del absorbedor (2) sobre los raíles (23). En su realización preferente, el absorbedor se desplaza hacia el norte en invierno para conseguir la incidencia de los rayos solares. Una forma alternativa o complementaria a la del desplazamiento para aprovechar los rayos solares que inciden en el extremo norte consiste en la disposición de una superficie especular (8) con forma triangular. La disposición de dicha superficie (8) supone una novedad tecnológica en este tipo de concentradores. 5

La figura 7 muestra un detalle de la tipología de lamas que puede incorporar la invención en su forma de realización preferente. Concretamente, la invención podrá contar con lamas de una sola cara reflectante plana (36), lamas de dos caras reflectantes planas (33), lamas de tres caras reflectante planas (26) y/o lamas de cuatro caras reflectantes planas (34), conseguidas preferentemente mediante plegado del material constituyente de la lama. La selección del número de facetas y ángulo entre estas se dimensiona mediante procedimiento de optimización 10 conjunta con los elementos del absorbedor (2). En todos los casos las lamas disponen de bulones (27) que materializan su eje de giro.

La figura 8 muestra un detalle de la superficie reflectante (8) que en la realización preferente se fija en el extremo del absorbedor (2). Esta figura limita el movimiento hacia el norte del absorbedor (2) representado en la figura 6. En la base de esta superficie se disponen sensores de radiación (35) tipo LDR (Light Dependent Resistor). Las 15 conexiones eléctricas a esto sensores se hacen accesibles mediante el bornero (28)

Claims (8)

1. 
   
   

   REIVINDICACIONES

   1. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado, caracterizado porque comprende un conjunto de lamas especulares (1) planas o prismáticas con giro de ciclo diario alrededor de ejes paralelos y un absorbedor optimizado (2) que integra espejos planos secundarios (15) en los que se distribuyen también de forma integrada, sensores tipo LDR (Light Dependent Resistor) de radiación solar 5 con terminales eléctricos disponibles en un bornero accesible desde el exterior del absorbedor; el cierre de la ventana de absorbedor se realiza de vidrio con la curvatura adecuada para minimizar pérdidas de radiación; el absorbedor cuenta con un conjunto de tubos (11) soldados a una superficie de chapa absorbente (12) que se sujeta a la caja del absorbedor mediante piezas rígidas (17) de aislante térmico con huecos adecuados para sujetar los tubos. 10
2. 2. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 1 caracterizada por disponer de un mecanismo que permite el deslizamiento del absorbedor (2), según una dirección longitudinal del mismo, sobre raíles (23) permitiendo movimiento estacional para mayor incidencia de la radiación reflejada en el extremo de las lamas opuesto a la dirección de los rayos solares. 15
3. 3. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 1 caracterizada por disponer de soportes (4) para el absorbedor que permiten fijarse en diferentes alojamientos (31) practicados en el bastidor (3) acercando el absorbedor (2) hacia uno de los laterales, posibilitando de este modo un desplazamiento de la producción energética horaria, en plantas con 20 orientación norte-sur, o estacional, en plantas con orientación este-oeste.
4. 4. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 1 caracterizada por disponer de accionamiento único que permite girar todas las lamas un mismo ángulo con un solo motor; el accionamiento motor gira una varilla roscada (6) que desplaza una biela maestra (29) 25 sobre la que se articula un empujador (7) común a un conjunto de bielas (24); a cada biela (24) se acopla una lama que, solidaria a una pieza en forma de sector circular (25), es ajustada para dar el ángulo adecuado la superficie de la lama y el eje de la biela; la fijación del ajuste se realiza mediante el apriete de un tornillo (32), que rosca en la biela y aprisiona la pieza en forma de sector circular (25).

   30
5. 5. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 1 caracterizada por disponer de un elemento especular (8) en el extremo del norte del absorbedor (2) opuesto a la dirección predominante de la radiación solar; dicha superficie es plana y perpendicular al eje del absorbedor, tiene forma de triángulo isósceles con altura variable.

   35
6. 6. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 5 caracterizada por disponer de un elemento especular (15) en el interior del absorbedor, en las paredes laterales, sobre el que se alojan de forma integrada, formando unidad, un conjunto de sensores de radiación tipo LDR (16); dicha superficie cuenta con un bornero (28) en el que los extremos de las conexiones eléctricas de los sensores son accesibles. 40
7. 7. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 1 caracterizada por disponer de lamas que pueden ser: de una sola cara reflectante plana (36), lamas de dos caras reflectantes planas (33), lamas de tres caras reflectante planas (26) y/o lamas de cuatro caras reflectantes planas (34), conseguidas preferentemente mediante plegado del material constituyente. 45
8. 8. Planta solar térmica de concentración tipo Fresnel con absorbedor plano optimizado según reivindicación 6 caracterizada por estar monitorizada por un controlador electrónico (37) que realiza medida de radiación; el controlador utiliza las medidas de radiación tomadas por los sensores colocados en el interior del absorbedor (16) y los sensores (35) en la base de la superficie reflectante, para mover de la forma más 50 adecuada el conjunto de lamas.