ES2428221A1

ES2428221A1 - Concentrador solar

Info

Publication number: ES2428221A1
Application number: ES201300691A
Authority: ES
Inventors: Rafael Monterreal Espinosa; Raúl ENRIQUE ORTS
Original assignee: Centro de Investigaciones Energeticas Medioambientales y Tecnologicas CIEMAT
Current assignee: Centro de Investigaciones Energeticas Medioambientales y Tecnologicas CIEMAT
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: ES2428221B1; WO2015011303A1

Abstract

Concentrador solar del tipo de los utilizados en plantas termosolares de receptor central, consistente en una superficie reflectante con geometría definida, discretizada dicha superficie en elementos especulares simples de menor tamaño y sin geometría definida denominados facetas (1), especialmente diseñados para que su disposición y mecanismo de amarre sobre una estructura soporte (2) conformada les proporcione la capacidad de adaptarse con un grado de libertad a la geometría de dicha superficie y, además, auto-alinearse para conseguir una determinada distribución de irradiancia solar sobre un blanco. El proceso tradicional de alineación de los heliostatos convencionales queda así completamente suprimido, reduciéndose la puesta a punto de la óptica del heliostato a su proceso de montaje, el cual, como efecto adicional de la invención, no demanda instrumentos de precisión ni técnicos cualificados, todo ello sin menoscabo de la calidad óptica del heliostato.

Description

CONCENTRADOR SOLAR

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un concentrador solar o helióstato denominado

S: modular de óptica auto-alineada, cuyo cometido es el de eliminar el tradicional proceso

de alineación (o canteo) de sus facetas, asl como reducir costes y simplificar el

montaje y la puesta a punto del campo solar. Como consecuencia del propio concepto,

se logra asimismo mejorar la calidad óptica del heliostato. Adicionalmente, aquellas

labores de mantenimiento del campo solar que comporten la reposición y realineaci6n

10: de facetas (roturas, corrosión, fin de vida útil), se verán asimismo simplificadas y

mejoradas.

Antecedentes de la Invención

El concentrador solar o heliostato de la invención puede ser utilizado en centrales

eléctricas termo-solares de receptor, central y, más especlficamente, en los

15: subsistemas denominados Campo de Heliostatos (o campo solar). Dichas centrales

basan su estrategia de operación en el aporte de calor a un detenninado ciclo

termodinámico convencional, mediante la reflexión especular y concentración de la

radiación solar por un elevado número de helióstatos, sobre un subsistema

denominado receptor solar (o caldera), responsable de la transferencia de la energia

20: radiante a dicho ciclo. Las principales caracteristicas funcionales de los helióstatos son

la capacidad para concentrar y mantener la radiación solar en el receptor a lo largo del

dla, para lo cual se les dota de una superficie óptica reflectante, asl como de

estructura soporte sobre mecanismos de accionamiento, que le proporcionan

movimiento en dos ejes y permite así el correcto apunte diumo.

2S: El heliostato es, por lo anterionnente dicho, un sistema óptico formador de imágenes

solares. Desde un punto de vista óptico, la formación de imágenes comporta aquf la

presencia de una superticie especular dotada de una determinada geometria. Para un

heliostato, donde uno de los hechos diferenciado res con el resto de sistemas solares

de concentración (colectores cilindro-parabóllcos, discos, etc.) es la mayor área de su

30: superticie reflectante (en las actuales plantas electro-solares en producción, en el

entorno de los 100m' ), la construcción, montaje y puesta a punto de dicha superficie

reflectante es sin duda su principal hándicap. Para abordar con ciertas garantias esta

tarea, tradicionalmente se ha recurrido a dividir la superticie reflectante en elementos

más pequeftos, denominados facetas, que pennitieran abordar su fabricación,

3S: transporte, montaje y posterior proceso de alineación, con suficientes garantias de

viabilidad. Las facetas hasta ahora construidas han sido sistemas ópticos en si mismos, dotados de geometrla gener.almente esférica o cilíndrica, con una detenninada distancia focal ajustada a su posición de trabajo en el campo de heliostatos; es decir, básicamente una focal determinada por su distancia al receptor solar. la construcción de facetas, bajo la premisa de lograr un sistema óptico bien definido (geomet.rla, distancia focal) exige la intervención de personal cualificado, asl como instrumentos de precisión con objeto de garantizar la calidad y repetitividad en la geometría y distancia focal resultantes quo, por lo demás, todo componente industrial fabricado en serie exige. Para el confonnado de facetas (figura 1) se hace necesaria la intervención de instrumentos de precisión, como por ejemplo una mesa de conformación (figura 2). Con ayuda de un equipo de medida (taquímetro, láser, etc.) y unas dianas milimetradas se ajusta el tabllsro de la mesa con la focal deseada; sobre el tablero de la mesa se coloca el espejo, que lleva adherido en su parte posterior unas piezas de fijación (figura 3) y con unal bomba de vacio se succiona el espejo y se hace coincidir con el tablero, para posteri,onnente atornillar las piezas de sujeción al bastidor de la faceta (figura 4). Así fabricadas, las facetas deben ser fijadas a la estructura soporte del heliostato (figura 5) mediante algún mecanismo de sujeción. la puesta a punto del heliostato exige una nueva tarea sin la cual no alcanzarla éste nunca la calificación de sistema formador de imágenes. En efecto, puesto que cada faceta es, en si misma, un sistema fonnador de imágenes solares, deben éstas de organizarse geométricamente para que halya una acción de conjunto en la reflexión y el helióstato se comporte como un s,istema óptico único, proporcionando en consecuencia una única imagen del sol. Este procedimiento de organización geométrica de la óptica del heliostato se dEmomina alineación o canteo, y puede seguir diferentes criterios ópticos dependiendo dE~ qué distribución de irradiancia se pretenda conseguir. La alineación, en definitiva, dota de focal al helióstato. Se han desarrollado para tal fin dos modos de alineación diferentes: en el eje y fuera del eje. El primero de ellos supone que el sol. el helióstato Y' el blanco constituyen un sistema óptico centrado en un eje común (eje óptico del heliostato); las facetas se alinean de forma que los vectores directores de sus ejes ópticos coincidan con el vector nonnal a la superficie óptica teórica prevista para el hE~liostato; el segundo. organiza la disposición de las facetas para optimizar la convergen4=ta de todas las imágenes individuales sobre el receptor solar en un determinado momelnto del dia y del año, sin atender a ninguna ligadura geométrica. Las figuras 6, 7A, 7B, 8 Y 9A, 98 muestran el efecto simulado de un helióstato de doce facetas antes y después de alinear. Las figuras 78 y 98

representan la proyección del sol sobre un blanco de 12mx1 2m (es simplemente una pantalla blanca y cuadrada) luego de reflej,arse en la superficie especular -discretizada en facetas-de un helios tato. La figura 7B corresponde a un heliostato cuyas facetas están sin alinear (se observan imágenes individuales del sol -una por cada faceta-S distribuidas aleatoriamente sobre el blanco); la figura 9B corresponde al mismo heliostato, pero una vez alineadas las face:tas, de forma que las imágenes individuales del sol se superponen en un solo punto sobre el blanco, dando como resultado un sola imagen del sol, con intensidad la suma de las intensidades de las facetas. Por tanto, lo que se tiene realmente en ambas figuras es una distribución bidimensional de 10 irradiancia solar sobre un blanco cuadrado de dimensiones XV; matemáticamente se expresa como una función Z = f(X,Y) donde X,Y e [O, 12Jm y Z e [0, max(f(X,Y))], donde f es la función que describe la irradliancia solar reflejada por el heliostato sobre el blanco. Por eso en las figuras aparece el metro [m] como unidad tanto en las ordenadas como en las abscisas (es la pllntalla), y los distintos niveles de gris de los 15 píxeles asociados a cada poSición XV representan la intensidad en kW/m2. En este ejemplo, se ve que la alineación de la;s facetas del helistato es un proceso de importancia capital, ya que dota de focal all heliostato convirtiéndolo as' en un sistema óptico centrado en el eje. Desde el punto de vista del mantenimiento del campo de heliostatos, la re-alineación de facetas es una tarea que ha de seguir necesariamente

20 a la reposición de éstas en caso de rotura, corrosión o fin de su vida útil, con lo que de instrumentación y personal cualificado ello conlleva. Las técnicas o métodos tradicionales d" alineación en el eje de helióstatos más utilizados han sido:

•: Niveles de menisco de agua 2S • Láser 2f

•: Inclinómetros

•: Taqulmetro

•: Láser trazador de la óptica del helic)stato

•: Láser-tracker 30 Hándicaps comunes a todos ellos:

•: Demandan Instrumentación y personal cualificado.

•: Su exactitud depende de la calidad y repetHividad de las facetas.

•: Lentitud; se genera un cuello de bo~ella en la puesta a punto del campo solar.

•: Introducen un potencial error adiciclnal en la calidad óptica de cada helioslalo y,

por tanto, en la eficiencia óptica del campo solar.

•: Todos ellos exigen, generalmente, un posterior ajuste fino manual.

•: Suponen una inversión adicional en la puesta a punto de la planta.

•: Complican y encarecen el mantenimiento del campo de heliostatos en caso de

reposición de facetas, ya que éstas. han necesariamente de realinearse. La invención propuesta tiene por objeto reemplazar el actual concepto de óptica del heliostato, por otro cuya novedad inventivél consiste en invertir las funciones asignadas hasta ahora a los componentes tradicionalles de ésta, de tal fonna que:

1.: Las facetas ya no son sistemas ópticos formadores de imágenes solares, sino subsistemas especulares simples; es decir, elementos reflectantes sin geometría definida.

2.: La estructura soporte de facetas asume ahora el papel relevante del nuevo concepto, de modo que no sólo es estructura portante de facetas, sino que está dotada de una geometría bien definida.

3.: Las facetas ya no necesitan ser alineadas, sino que se auto-alinean en su estructura portante una vez que se fijan a ésta mediante un detenninado mecanismo de sujeción. Es decir, de la propia etapa de montaje resultan ya alineadas las facetas.

Como resultado de este cambio de paradioma en el diserío de heliostatos: a) Se reducen costes asociados a la fabricación de facetas. b) Se elimina la etapa de alineación de facetas, con todos los hándicaps que comporta: necesidad de instrumentación y personal cualificado, error adicional de canteo, reducción del tiempo die puesta a punto del heliostato y, por tanto, de la totalidad del campo solar. c) Como consecuencia de a) y b), ~se reducen costes asociados al montaje y puesta a punto del campo de heliostatos. d) Se optimiza la eficiencia óptica del campo solar y, en consecuencia, la eficiencia global de la planta, redundando en el consiguiente aumento del beneficio económico a lo largo de l:iU vida útil. e) Se optimizan las tareas de reposición y realineación de facetas a lo largo de la vida útil del campo de heliostatos, contribuyendo así a la reducción de costes de mantenimiento del campo solar.

A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe: -Alineación (o canteo) en el eje de un he:lióstato: Acción de orientar las facetas de tal forma que los vectores directores de sus ejes ópticos coincidan con el vector normal a la superficie óptica teórica prevista pam el heliostato. La alineación dota de focal al helióstato, supuesta faceteada su supeñi1cie reflectante.

-: Calidad ÓPtica de un heliostato: Número de mérito que cuantifica la calidad del heliostato como sistema formador de imágenes solares

-: Campo de helióstatos (o campo solar>: También denominado concentrador primario, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un receptor de una planta termo-solar.

-: Cuaderna: Perfil provisto de un mecani;zado de precisión en al menos una de sus caras, as! como de un sistema de ;anclaje capaz de generar una estructura geométrica de gran área mediante unal determinada técnica de ensamblaje entre ellas. -Distancia focal de un heliostato: Lugar sobre el eje óptico donde convergen los rayos reflejados de un haz que incida paralelamente a dicho eje. -Eje óptico de un helióstato: Linea recta "irtual que pasa por los centros de la óptica, blanco y Sol, supuestos alineados, y corta que ortogonalmente al plano de la estructura soporte del helióstato. -Elementos especulares simples: Facetns sin geometría definida y, por tanto, sin capacidad de formación de imágenes solares. -Energía solar: Energía radiante que pro,... iene del Sol y llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características. -Errores ópticos de un heliostato: Causas que deterioran la capacidad de formación de imagen de un heliostato, penalizando así su calidad óptica. -Espejo de segunda superficie: Elemento reflectante en el que la supeñicie especular queda protegida del ambiente mediantEl su deposición entre una capa anterior de vidrio y capa posterior de recubrimiento protectivo. -Facetas: Elementos especulares individuales de que se compone la supeñicie reflectante de algunos helióstatos. Usualmente son sistemas ópticos en si mismos y, por tanto, con geometria definida y cap:;lcidad de formación de imágenes solares en un determinado blanco situado en su plano focal. -Factor de ocupación del terreno de un campo solar: Cociente entre la superficie reflectante de éste y el área del terreno sldquirido para su instalación. -Heliostato: En plantas termosolares de torre, espejo de larga distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado reoeptor solar a lo largo del día.

-: Óptica auto-alineada de un heliostato: Superficie óptica faceteada de un heliostato cuya alineación deriva directamente dell proceso de montaje, sin intervención de instrumentación ni técnicos cualificados.

-: Óptica de un heliostato: Superficie reflectante con la que se equipa a un heliostato para dotar1o de capacidad formadora die imágenes solares sobre un determinado blanco.

-: Planta termo-solar de receptor central: Planta de producción industrial de energía eléctrica que basa su estrategia de operclción en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un receptor.

-: Receptor solar: Dispositivo que intercept:a y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferir1a mediante un intercambiador de calor al ciclo termodinámico de una planta tenno-solar.

-: Sistemas ópticos formadores de imágenes solares: SuperfiCies reflectantes dotadas de una determinada geometría que les permite reproducir la imagen reflejada del sol en un determinado blanco situado en su Iplano focal. -Superficie eficaz de una cuaderna: De todas las caras de una cuaderna, aquélla que dispone de un mecanizado de precisión y donde se apoyan las facetas para su sujeción y asiento de su curvatura. -lona focal de un campo de heliostato!~: Grupo de heliostatos de un campo solar cuyas facetas tienen la misma distancia focal. -Zona paraxial (o de Gauss) de un sistema óptico: región del sistema óptico tal que la distancia de cualquiera de sus puntos llll eje se considera despreciable frente a la distancia focal. En el caso del helióstato, toda su superficie reflectante se encuentra en zona paraxial, debido esencialmente a las grandes distancias focales que normalmente tienen estos concentradore-s. En los helióstatos y campos de helióstatos más relevantes se constata que todos han sido sometidos a un proceso de alineación. Los primeros helióstatos considerados como elementos industriales se desarrollaron a inicios de la década de los ochenta para las plantas experimentales termo-solares de receptor central, con el propósito de pro~u la viabilidad de la energla solar térmica en los procesos de producción de electricidad a escala industrial. Los helióstatos convencionales consisten en una estructura mecánica portante de facetas previamente conformadas, y un conjunto de facetas que después :se han sometido a un proceso de alineación sobre dicha estructura para generar la superficie

óptica final. En resumen, todos los helióstatos hast" ahora conocidos están compuestos por facetas que deben ser sometidas ex profeso a un proceso de alineación para la correcta configuración óptica del heliostato. En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un helióstato de tal forma construido que el proceso de ulineación de facetas quede suprimido, tanto en la fase inicial de montaje del campo 150lar, como en cualquiera de las ulteriores fases de reposición de facetas, ya sea por mantenimiento rutinario, ya por la completa sustitución de las facetas al término de su vida útil.

Descripción de la Invención Para alcanzar el objetivo propuesto, la óptica del helióstato objeto de la invención deberá, por un lado, simplificar el proceso de fabricación y montaje de facetas y, por otro, eliminar la tarea de alineación de éstas, tanto en la fase de puesta a punto inicial del heliostato, como en su etapa de mantenimiento del campo solar a lo largo de su vida útil. Todo ello podrá conseguirse combinando los siguientes elementos:

1.: Una estructura soporte de facetas que disponga de una geometría bien definida y precisa (por lo general, pero no necesariamente, esférica), adaptada a la distancia focal de cada heliostato del campo solar, y cuyo diserio permita la modularidad, con objeto de que SE' facilite la fabricación serie y el transporte. Además, su ingenierla deberla perrnitirle un montaje protocolizado inequívoco y sencillo, donde no intervengan im:itrumentos de precisión ni personal técnico especializado. Esta estructura podrá ser auto-portante o sostenida, en función de las dimensiones del área exigida por la superficie reflectante del heliostato, a cuyos requerimientos deberá adaptarse.

2.: Unas facetas entendidas como elementos especulares simples, es decir, sin geometría ni focal definidas. No son, por consiguiente, sistemas ópticos formadores de imágenes solares.

3.: Una ingeniería estructural que perrnna lograr el objetivo esencial de la invenci6n propuesta, esto es, que como consecuencia del amarre de las facetas a la estructura soporte anteriormente reseriada resulten éstas alineadas, sin la intervención adicional de otras herramientas o mano de obra que la que se ha empleado en el mencionado montaje, de modo que el procedimiento de alineación de fac;etas quede asl eliminado; las facetas, pues, se auto-alinean como consecuencjjil del montaje.

4.: Un procedimiento de amarre de las facetas con su estructura soporte que proporcione un grado de libertad a éstas en la dirección ortogonal a dicha estructura soporte, aliviándolas así de las tensiones que generan las deformaciones estructurales como consecuencia de su propio peso, o de la acción del viento. Dichas tensioneis son absorbidas por una serie muelles que mantienen a cada faceta en contacto perimetral con la cuaderna sobre la que descansan, adaptándose así a la forma geométrica de ésta. Este grado de libertad de la superficie especular respecto de su estructura portante, facilita el montaje y alarga la vida media de las facetas, ya que éstas se rompen fundamentalmente por tensiones mecánicas b"ansmüidas al vidrio.

Como aspectos relevantes de la reali2:ación de la invención, nos detendremos especialmente en la descripción de los apartados anteriores. Estructura soporte de facetas

Como se ha dicho anteriormente, la estructura soporte de facetas ha jugado tradicionalmente en el diseflo de heliostatc)s un papel exclusivo de sostén, de tal forma que en su disei\o se consideraban relEtVantes aspectos tales como modularidad, rigidez, facilidad de transporte y montaje!, etc., pero no había ningún parámetro de disel\o que ligara la forma de la estructura soporte con la óptica del heliostato, dado que ésta se constituía mediante la ordeni:lción geométrica de elementos ópticos más pequei\os denominados facetas. As! pues, dicha estructura soporte de facetas desempel\aba un papel exclusivamente mecánico. La invención propuesta atribuye sin embargo un doble papel a la estructura soporte de facetas; por un lado, el mecánico tradicional, respetando los criterios al uso de disei\o, en especial la modularidad, que son directamente extrapolables al ámbito de la nueva invención; por otro, se produce un cambio de paradigma en el diseño, de forma que los atributos ópticos de las facetas (geometría y focal) pasan a incolrporarse ahora a la estructura soporte, que adopta as! un nuevo rol geométrico del que antes carecfa, debido esencialmente a las limitaciones tecnológicas para construir grandes estructuras mecánicas de revolución dotadas de peque~a curvatura, como es el caso de los heliostatos, cuya distancia focal puede llegar a ser del orden de los centenares de metros. En este sentido, las nuevas máquinas de corte por láser y chorro die agua, junto a la actividad inventiva que creemos ha supuesto la presente invencrón, han permitido abordar la fabricación de grandes superficies de revolución y larga focal muy precisas y con garantías de éxito. Para ello se sustituyen los elementos estructurales tradicionales (cerchas, correas, tubos, etc.) por otros que resultan de implementar las ecuaciones de determinados lugares geométricos de la superficie de revolución en el archivo CAD de la máquina de corte. la perfilería asl fabricada ha necesitado, adicionalmente, del desarrollo de una metodología de ensamblaje que permita In conexión y fijación de los perfiles entre si para alcanzar la forma y dimensiones finales de la estructura base de la superficie de revolución. Esta metodología de ensamblaje de perfiles de precisión permHe el crecimiento de la estructura hasta que su área coincida con la prescrtta por el diseflo del heliostato. AsI construida, dicha estructura queda preparada para proceder al amarre de las facetas que dará lugar a la s,uperficie óptica de revolución del heliostato. Por último, este concepto permite la opción tecnológica de mecanizar o tallar en las propias cuadernas una brida de acople' con los mecanismos de accionamiento, evitando así la intervención de cualquier inteñase mecánica adicional entre dichos mecanismos y la estructura soporte de facetas, simplificando el montaje y minimizando las imprecisiones y holguras propias di' cualquier interfase de unión entre dos elementos mecánicos. Facetas

las facetas del helióstato objeto de la invención son elementos especulares sim~es, en lugar de sistemas ópticos formadores de imágenes solares. En efecto, las facetas convencionales poseen una geometrra y focal bien definidas y, como ya se ha mencionado anteriormente, demandan un procedimiento de alineación una vez montadas en la estructura soporte. Sin embargo, estas nuevas facetas están compuestas por una superficie especular (espejo de primera o segunda superficie) y una chapa, unidos ambos elementos mediante un adhesivo apropiado, sin otros requerimientos adicionales desde un punto de vista óptico. El conjunto resultante debe tener una determinada flexibilidad con objeto de que pueda adaptarse a las exigencias de la nueva estructura soporte, en la forma que se describirá más adelante. Asimismo, las dimensiones de estas facetas (ancho-Iargo-espesor) deben ser tales que faciliten su fabricación, transporte y manipulación para su montaje en la estructura portante. Adicionalmente, el dimensionado de las facetas debe responder a criterios tanto mecánicos como económicos.

En contraste con los campos de heliostatos tradicionales, divididos usualmente en varias zonas focales para adaptarse a las diferentes distancias focales de las facetas, la nueva faceta así concebida es un elemento universal en el campo solar. Puesto que todas ellas son idénticas, cuaflquiera de ellas es directamente utilizable en todos los heliostatos del campo, as! como en cualquier emplazamiento sobre la estructura soporte. Esto elimina la sectorización del campo en zonas focales y simplifica la logística tanto del montaje como de la reposición y el almacenaje de facetas en la planla.

Finalmente, el diseno de las facetals y la estrategia de sujeción a la estructura portante, permiten maximizar la superficie reflectante del heliostato en relación con su superficie genérica, aumentando así en consecuencia el factor de ocupación del terreno donde se ubica el campo solar. Ingenieria estructural y auto-alineado de facetas

Como se ha mencionado anteriormente, la eliminación del rol geométrico de las facetas en la óptica del heliostato para ¡asignárselo ahora a su estructura soporte, supone un cambio de paradigma en el dislM'io tradicional de estos concentradores. Sin embargo, aunque conceptualmente dicho cambio deba reconocerse como ventajoso en términos de eliminación de los proc&,;os de fabricación y alineación de facetas, exige el desarrollo de una ingeniería de corte y ensamblaje de perfiles capaz de satisfacer la nueva dualidad geométrica y mecánica de la estructura soporte, entendida ésta como una superficie de revolución de gran área y pequena curvatura (larga focal) que es a su vez sostén mE!cánico de elementos especulares simples. Veamos los detalles de dicha ingeniería dE! corte y ensamblaje de perfiles:

Corte de perfiles: Se pretende que la zona mecanizada de los perfiles coincida con el lugar geométrico de una superfiCie de revolución cuya geometrla sea la prevista para la óptica del heliostato. Para ello se calculan las intersecciones de dicha superficie de revolución con ciertos pl¡:nnos paralelos a los denominados planos principales, que son aquéllOS que contienen al eje óptico de dicha superficie y son ortogonales a los ejes XV de ésta (ver figura 10). El número de estos planos y su posición vendrá determinado por el númer,o de perfiles a considerar en la estructura, el cual que dependerá a su vez de la forma y dimensiones de las facetas, asi como de criterios de carácter mecánico y portante. la solución del sistema de ecuaciones que resulta del planteamiento matemático de dicha intersección la constituyen aquellos puntos que verifican ambas condiciones, de tal forma que sus coordenadas serán introducidas en el archivo CAD de la máquina de corte para ser correctamente mecanizados en los perfiles originales. A~;f mecanizados y cortados de acuerdo a su dimensión prevista, dichos perfiles pasan a denominarse genéricamente cuadernas. las cuadernas pueden ser principales (m¡:nestras) y auxiliares, según corten o no al eje óptico de la superficie de revolución deseada.

Ensamblaje de cuademas: Para que la superfiCie eficaz de las cuademas sirva tanto de referencia espacial como de cmrecto asiento a las facetas del heliostato, deberán ocurrir:

a) El lugar geométrico de sus puni os, una vez ensambladas, han de coincidir con los de una superficie de revolución cuya geometria sea la prevista para la óptica del heliostato, es decir:

S (x,y,z)_~ = (x,y ,J(x,y» o,.",, '

siendo z ='(x,y) la ecuación de la superficie óptica prevista.

b) El correcto asiento de la faceta sobre la superficie eficaz de la cuaderna para fgaria implica, matemáticamente hablando, que los vectores normales a ambas superficies (cuaderna y superficie óptica) cleben tener la misma orientación; es decir, si

10 la ecuación vectorial de la superficie óptica con fonna explicila z = f(x,y) puede representarse como r(x, y) = x i + Yj + f(x, y) k, el vector unitario nonnal a la superficie asociado al punto z = f(x,y) vale: fJr fJr

-: x

fl -ax ay. -fJr ~'

-: x

ax ay

de tal modo que, para lograr un asiento pleno entre ambas superficies, habría que 1S desarrollar una técnica de ensamblaje que-garantizara la condición:

IVCuaJetnQ = IVÓplial

La manera de soslayar el cumplimiento riguroso de esta 2-condición, que afecta únicamente al asiento faceta-cuaderna, y t:;omplica no obstante el montaje, consiste en admitir que la óptica del heliostato de larga focal se halla en zona paraxial, de tal modo

20 que el hecho de no ensamblar las cuadernas orientadas según ]Q'ÓJtiOO sino según ]Q'¡ ,

siendo k el vector director del eje óptico del heliostato, supone un error despreciable en el asiento. Las figuras 11A y 11 e~ muestran el mecanismo de ensamblaje propuesto.

La sujeción de las facetas, entendidas como elementos especulares simples, a 2S dicha estructura de cuadernas, puede hacerse mediante tornillos, muelles, arandelas tipo Grower, pasadores, adhesivos, etc. Sin embargo, la fijación mediante muelles concebida en esta invención pennite dotar de un grado de libertad a la faceta respecto de su estructura portante. Aventaja así a nuestro modo de ver al resto de las sujeciones, pues la presencia del muelle, su orientación y ajuste, permiten absorber 30 parte de las tensiones mecánicas que la propia estructura transmite a las facetas y,

por tanto, al vidrio, de tal modo que se minora el riesgo de rotura y posterior corrosión de éste. Una vez fijadas las facetas, según el procedimiento anterior, y que se detallará más adelante, el resultado es: -las facetas se adaptan a la superficiE~ geométrica portante, apoyando su borde exterior en la superficie eficaz de las cuadernas, copiando asi los detalles de su forma y curvatura. -Se distribuyen espacialmente de tal forma que cubren la totalidad del área de la supeñicie reflectante prevista. -Como resultado del proceso de fijaci.ón sobre la estructura de cuadernas, los elementos reflectantes simples (facetas) quedan auto-alineados, proporcionándole asi al heliostato una superficie especular de revolución y dotándolo, por tanto, de una distancia focal bien definida. -la óptica del heliostato queda unlvocaml~nte definida por un solo sistema óptico, con su distancia focal plenamente coincidente ICOn la distancia heliostato-receptor solar.

Breve descripción de los dibujos Para completar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracterislicas de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiv:a, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitatwo se ha representado lo siguiente: La figura 1 muestra un ejemplo de faceta c:onvencional. La figura 2 muestra un ejemplo de mesa ele conformado de facetas. La figura 3 representa un ejemplo de espejo y anclajes de una faceta convencional. la figura 4 representa un ejemplo de bastidor de una faceta convencional. la figura 5 muestra un ejemplo de la estructura soporte de un heliostato convencional. La figura 6 muestra un ejemplo de heliostato con facetas sin cantear o alinear. La figura 7A muestra una vista en perspe<Ctwa de un helióstato en el campo solar con doce facetas esféricas sin alinear y su "fecto (Fig. 78) sobre el plano del receptor solar. La figura 8 muestra un ejemplo de heliostallo con facetas alineadas. La figura 9A muestra una vista en perspediva de un helióstato en el campo solar con doce facetas esféricas correctamente alin,eadas y su efecto (Fig. 98) sobre la imagen en el plano del receptor solar (focalización). La figura 10 muestra intersecciones de una supeñicie de revolución con los planos

paralelos a los denominados planos principales. Las figuras 11A y 118 muestran cómo encajan las cuadernas entre sí en el montaje, para que las superficies eficaces estén perfectamente orientadas. La figura 12 muestra el vidrio con el que SE' formará la superficie especular simple. La figura 13 muestra la chapa con la que se formará la superficie especular simple. La figura 14 muestra el vidrio pegado a la chapa, formando la superficie especular simple. La figura 15 muestra las cuadernas que componen la estructura conformada del heliostato y brida de acople tallada. La figura 16 muestra la estructura conformada, con las cuadernas encajadas y atornilladas. La figura 17 muestra muelle utilizado en la fijación. La figura 18A muestra la estructura conformada, con las cuadernas encajadas y atornilladas. La figura 188 muestra un detalle de cómo es la fijación de los elementos especulares simples con los tomillos y los muelles. Las figuras 19A y 198 muestran cómo se realiza el montaje de los elementos especulares simples en la estructura confclrmada. La ftgura 20 muestra la estructura conformada con todos los elementos especulares simples montados. La figura 21 muestra el pedestal y el mecanismo donde se instalará la estructura óptica. La figura 22 muestra el heliostato totalmente montado con las facetas auto-alineadas. Se hace notar que las figuras 1 a 98 c:orresponden al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad de la invención, las ftguras 10 a 22 corresponden a la descripción estructural de la invención y a la explicación del modo de funcionamiento de la invención. Las referencias:

(100): receptor central

(10): superficie reflectante

(1): faceta

(11): vidrio

(11a): cara especular

(11b): cara de fijación

(12): sustrato

(12a): cara de conexión

(12b) cara de asiento

(2): estructura soporte (2a, 2b, 2c) cuaderna (2c1) brida de acople

(3): Atomillado

(4): muelle (5a) tomillo pasante (5b) tuerca autcrblocante

(6): mecanismo de accionamiento

Descrlpcl6n de una realizacl6n preferente

Se demostrará en lo que sigue cómo llevar a cabo una realización preferida, asl como sus ventajas frente al concepto tradicional de hellostato. En efecto, la óptica del heliostato objeto die la invención consta de dos componentes bien diferenciados:

Facetas (1): Para la realización preferida de las facetas (1) se parte de elementos

especulares simples; es decir, sUperfiCi&'3 reflectantes sin geometrla definida, tales como espejos comerciales planos de vidrio (11 ) de segunda superficie, bajo contenido en hierro y normalmente de pequerio espesor (=1.5 mm), con forma rectangular o cuadrada (figura 12), que son los formatos que normalmente ofertan los fabricantes. Para dotar de rigidez, protección y facilitar al mismo tiempo su sujeción a la estructura

(2) soporte, este elemento se une por su cara no especular a un sustrato (12) de aluminio de espesor " 2,5mm que le servirá de interfase y protección (figura 13);

mediante la unión de ambas con un adhesivo (un polfmero MS, por ejemplo) se logra, siguiendo una técnica convencional de pegado al vaclo, un sándwich vidrio (11)-metal

que puede ser en fonma de sustrato (12) (figura 14) sin más requerimientos

constructivos que los ya mencionados y con la condición de que, una vez acopiada a la estructura soporte (2), la faceta (1) se ::Ktapte a la sección eficaz de las cuademas

(2a, 2b, 2c) en la manera que se explica,,! más adelante. Asl concebida, la faceta (1)

no es un elemento óptico formador de imágenes solares, de modo que su proceso de fabricación no demanda ni instrumentación sofISticada, ni técnicos cualificados en este sentido; además, evitamos la posibilidad de introducción de errores ópticos derivados

del proceso de fabricación. Finalmente, as! protegido y rigidizado el espejo mediante

su unión al metal que puede ser en forma de sustrato (12), hace la faceta (1) apta para 3S el transporte, montaje y almacenaje en la futura planta solar.

Estructura soporte (2): Se ha mencionado anteriormente que una mecanización de precisión de perfiles así como su posterior técnica de ensamblaje, constituyen la piedra angular de la construcción exitosa ele grandes estructuras que se corresponden con superficies de revolución de muy p;:tquena curvatura, es decir, necesarias en concentradores solares de gran distancial focal, como es el caso del heliostato. La figura 15 muestra el resultado de un mecanizado de precisión de un perfil de acero, mediante una máquina de corte por chorro de agua. Como se resenó con anterioridad, el lugar geométrico de los puntos que pert,enecen al mecanizado del perfil, resultan de la intersección de la superficie de revolucit~n prevista para la óptica del heliostato, con ciertos planos que son ortogonales a lo~s ejes XV de éste y que contienen a las cuadernas (2a, 2b, 2c) de la estructura (2), ya sean maestras (2c) o auxiliares (2a, 2b) (figura 10). Anteriormente también se menlcion6 que las muescas (2d) mecanizadas en los perfiles (figura 11) permiten el ensamlllaje entre ellos, de tal Ionma que, una vez encajados, los centros de las secciones eficaces de las cuadernas (2a, 2b, 2c) coinciden con el lugar geométrico de los puntos de la superficie de revolución cuya geometría sea la prevista para la óptica dlel heliostato; del mismo modo, los vectores normales a las superficies eficaces de las cuadernas (2a, 2b, 2c) en cualquiera de sus puntos, se aproximan -dentro de la apro)<imación paraxial-con los correspondientes vectores normales a la superficie de revo,Iuci6n esperada, permitiendo así que dicha superficie de revolución pueda ser considerada, dentro de la aproximación paraxial, como la envolvente matemática de la estnJctura (2) soporte de cuadernas (2a, 2b, 2c).

Un atornillado (3) adicional entre estos perfiles encajados (fogura 16), asegura la completa estabilidad de la superficie resultante.

Resta todavía, para finalizar la descripción de la realización preferída, la descripción de

la unión entre los dos elementos del helios,tato anteriormente descritos. a saber. faceta

(1) y estructura (2) soporte, penmutados sus papeles tradicionales en lo que al diseño de heliostatos se refiere, con objeto de 'formar un todo unificado que constituirá la óptica del helióstato. Fijación y auto-alineado de facetas (1) sobre la estructura soporte (2) gue comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c): Si bien la faceta (1) conserva su carácter especular y la estructura soporte (2) el portante, la primera se desprende de su geometría en favor de la segunda. As! plJeS, las facetas (1) deben ser simplemente fijadas a la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c) mediante un procedimiento especia,lmante disenado para aliviar las posibles tensiones mecánicas que la estructura portante o soporte (2) pueda transmitir a la

superficie especular, según el cual en las cuadernas (2a, 2b, 2c) se realizan unos

alojamientos donde, con la ayuda de un muelle (4) de acero inoxidable (figura 17), tomillo pasante (5a) y tuerca auto-blOC<lnte (5b), se sujetan las facetas (1) a la estructura soporte (2) (figuras ISA, lB8), dotándolas no obstante de un grado de

libertad en la dirección nonnal a la interfase entre ambas, con el propósito de que el muelle (4) cumpla la doble función de, polr un lado, unir ambos elementos y, por otro, absorber las tensiones mecánicas que la estructura soporte (2) pueda transmitir a la superfide reflectante, y que es la causa habitual de muchas roturas que terminan por inutilizar los vidrios (11), al constituir Ulna vía de entrada para la corrosión. La resultante del sistema de fuerzas obliga a las facetas (1) a apoyarse perimetral y uniformemente sobre las superficies eficac:es de las cuadernas (2a, 2b, 2c), las cuales, actuando del mismo modo que un molde, las obl;gan a copiar su geometría (figuras 19A, 19B). La superficie especular simple de una faceta (1) se convierte así de nuevo en un elemento con caracterfsticas de un sistema óptico formador de imágenes, por cuanto su área coincide con la porción equivalente de la superficie óptica de revolución que, como quedó ya dicho, es la envolvente matemática de toda la estructura soporte

(2) que comprende una pluralidad de cuademas (2a, 2b, 2c), a la cual la faceta (1)

ahora pertenece. S;guiendo este patrón repetitivo, todas las facetas (1) se fijan y

cubren la totalidad de la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c) (figura 20), de tal forma que el proceso de alineación es

concomitante con el de montaje, resultando de ello que, al terminar de montar las

facetas (1), la óptica del helioslato qued!l inmediatamente lista para ser utilizada en campo.

Pero las ventajas de esta invención van más allá de la optimización, tanto material como económica, de la conformación inicial de la óptica del heliostato. En efecto, su beneficio se extiende a cuantas futuras reposiciones de facetas (1) se lleven a cabo en el campo solar, ya sea por mantenimientlD rutinario (roturas, corrosión, degradación), ya por la necesidad de una reposición totaJ de facetas (1) del campo al término su vida

útil.

Finalmente, dicha superficie óptica resultante que comprende la estructura soporte (2) y las facetas (1) ha de fijarse al mec~lOismo de accionamiento de un heliostato convencional (figura 21). Para ello, como se mencionó anteriormente, se han disereado

unas cuadernas (2a, 2b, 2c) en las que la máquina de corte ha tallado una brida de

unión (2c1) que le permite acoplarse dir,ectamente al mecanismo de accionamiento (figura 15 c) sin que medie entre ambos componentes del heliostato ninguna interfase

mecánica, de forma que éste queda asf montado directamente (figura 22) y operativo dentro del campo solar. Asi, una realización de la invención se refiere a un concentrador solar configurado para ser utilizado en plantas termosolar4:ts de receptor central (100), comúnmente denominados heliostatos, que comprende: 1a) una superficie reflectante (10):

1a1) que tiene una geometria definid~l; 1a2) discretizada en una pluralidad d43 elementos especulares simples de tamafio unitario para conformar una plur.3lidad de facetas (1);

1b) una estructura soporte (2): 1 b1) configurada para soportar la superficie reflectante (10); 1b2) conformada para determinar, o establecer, o forzar, si se prefieren otros

términos, una colocación auto-alineada de la superficie reflectante (10) para

obtener una distribución de irradiancia solar determinada sobre un receptor. El efecto técnico de estas característiC<::tIs es que permiten eludir el proceso de alineación de facetas (1) de los heliostatos convencionales. Conforme a otras características de la inveinci6n:

2. Las facetas (1) comprenden: 2a) un vidrio (11) que comprende: 2a1) una cara especular (11a) configurada para reflejar una radiación solar incidente; 2a2) una cara de fijación (11b) opuesta a la cara especular (11a); 2b) un sustrato (12) de sujeción det vidrio (11) que comprende: 2b1) una cara de asiento (12b) confi¡¡urada para asentar la cara de fijación (11b) del vidrio (11); 2b2) una cara de conexión (12a) opuesta a la cara de asiento (12b), configurada para ser conectada al concentrador solar; 2c) medios de unión entre vidrio (11) y el sustrato (12) para asegurar una unión de la

cara de fijación (11 b) Y la cara de asiento (12b). Los efectos técnicos de estas caracteristicas son los siguientes: las facetas (1) son simples, sin ser preciso establecer una gl30metrla definida forzada por otros factores. Las facetas (1) resultantes de la unión espejo-sustrato, tienen capacidad para ser fijadas a una estructura soporte (2) de cualquier dimensión y copiar la geometría de dicha estructura soporte (2), sin intervenci6n de instrumentos de precisión ni personal técnico cualificado, redundando así en una reducción de costes de producción y mejora de la repetitividad de la fabricación en serie.

3. El concentrador solar comprende una e!itructura soporte (2) que comprende: 3a) una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2:c): 3a1) confonnadas a partir de unal pluralidad de pertiles sometidos a un

mecanizado de precisión; 3a2) configuradas para ser ensambl~.das de tal forma que la estructura soporte

(2) tiene una envolvente que define una superticie coincidente con una geometrla prevista para la óptiCélI para concentrador solar; 3a3) que comprenden medios de con'8xión para conectar con la cara de conexión

(12a) del sustrato (12) de sujeción del vidrio (11). Los efectos técnicos de estas características son los siguientes: como consecuencia de su estructura y ensamblaje inequlvoco y modular, el montaje de dicha estructura soporte (2) confonnada no precisa de instrumentos de precisión ni de personal técnico cualificado. Ademés, el proceso de sujeción de la.s facetas (1) a la estructura soporte (2) confonnada comporta la auto-alineación dl:t éstas, de tal fonna que, otro efecto técnico derivado de estas caracteristicas es que la óptica del heliostato queda apta para su uso inmediatamente después del montaje, eludiendo así el costoso proceso, tanto técnico como económico, de alineación de facetas (1), que se ha seguido en los heliostatos hasta ahora conocidos. Otro efecto técnico adicional de esta caracterfstica es que esta ventaja se extiende a las sucesivas campa~as de reposición ele facetas (1) que se lleven a cabo como consecuencia del mantenimiento habitual del campo solar, as! como en caso de la completa renovación de éste al término de su vida útil.

4. El concentrador solar comprende una cuaderna de acople (2c) que comprende:

4a) una brida de acople (2c1) tallada en la cuaderna de acople (2c) configurada para acoplar la estructura soporte (2) directamente a un mecanismo de accionamiento

(6).

El efecto técnico de esta característica es que la estructura soporte (2) confonnada puede acoplarse, sin necesidad de interfase mecánica, directamente a un mecanismo de accionamiento (6) de cualquier heliostato en el campo solar.

5. Los medios de conexión entre las cuadelrnas (2a, 2b, 2c) y la cara de conexión (12a) permiten un movimiento de las facetas (1) respecto de la estructura soporte (2) con un grado de libertad en una dirección ortogonal a la estructura soporte (2). El efecto técnico de esta característica es que alivia así a las tacetas (1) de las tensiones que generan las deformacione~s estructurales como consecuencia de su

5 propio peso, o de la acción del viento.

6. El concentrador solar comprende una pluralidad de muelles (4) configurados para absorber tensiones entre las facetas y la t!structura soporte (2) y para mantener cada faceta (1) en contacto con la cuaderna (2a, 2b, 2c) sobre la que descansan.

10 Un efecto técnico de estas características es que asf las facetas se adaptan a la forma geométrica de la estructura soporte (2).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Concentrador solar configurado para ser utilizado en plantas termosolares de receptor central (100) que comprende: 1a) una superficie reflectante (10):

1a1) que tiene una geometria definid;:l; 1 a2) discretizada en una pluralidad dI:! elementos especulares simples de tamaría unitario para conformar una pluralidad de facetas (1);

1b) una estructura soporte (2): 1b1) configurada para soportar la superficie reflectante (10); 1 b2) conformada para determinar una colocación auto-alineada de la superficie

reflectante (10) para obtener una distribución de irradiancia solar determinada sobre un receptor.
2. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que las facetas (1) comprenden: 2a) un vidrio (11) que comprende:

2a1) una cara especular (11a) configurada para reflejar una radiación solar incidente; 2a2) una cara de fijación (11 b) opuesta a la cara especular (11a); 2b) un sustrato (12) de sujeción del vidrio (11) que comprende: 2b1) una cara de asiento (12b) conf~lurada para asentar la cara de fijación (11b) del vidrio (11); 2b2) una cara de conexión (12a) opuesta a la cara de asiento (12b), configurada para ser conectada al concentrador solar; 2c) medios de unión entre vidrio (11) y el sustrato (12) para asegurar una unión de la cara de fijación (11b) y la cara de asiento (12b).
3. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una estructura soporte (2) que comprende: 3a) una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, ~~c):

3a1) conformadas a partir de una pluralidad de perfiles; 3a2) configuradas para ser ensambkidas de tal forma que la estructura soporte

(2) tiene una envolvente que define una superficie coincidente con una geometría prevista para la óptica para concentrador solar;

3a3) que comprenden medios de conexión para conectar con la cara de conexión (12a) del sustrato (12) de sujeción del vidrio (11).
4. Concentrador solar de acuerdo con 1,3 reivindicación 3, caracterizado por qua 5 comprende una cuaderna de acople (2c) que comprende:

4a) una brida de acople (2c1) tallada en 1:81 cuaderna de acople (2c) configurada para acoplar la estructura soporte (2) directamente a un mecanismo de accionamiento (6).

10 5. Concentrador solar de acuerdo con la Ireivindicación 3, caracteñzado por qua los medios de conexión entre las cuadernas; (2a, 2b, 2c) y la cara de conexión (1281) permiten un movimiento de las facetas (1) respecto de la estructura soporte (2) con un grado de libertad en una dirección ort09on:811 a la estructura soporte (2).

15 6. Concentrador solar de acuerdo con 1:81 reivindicación 5, caracterizado por qua comprende una pluralidad de muelles (4) configurados para absorber tensiones entre las facetas y la estructura soporte (2) y para mantener cada faceta (1) en contacto con la cuaderna (2a, 2b, 2c) sobre la que descansan.