ES2438890A1

ES2438890A1 - Campo mixto de heliostatos

Info

Publication number: ES2438890A1
Application number: ES201200654A
Authority: ES
Inventors: Lucía Serrano Gallar; Juan Pablo Núñez Bootello; Francisco José CERÓN GARCÍA
Original assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Current assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: ZA201500091B; EP2865964A1; IN2015MN00082A; MX2014015683A; ES2438890B1; CN104620059A; US20150323772A1; US10514530B2; EP2865964A4; CL2014003434A1; WO2013190154A1; MA37788B1; MA37788A1

Abstract

Campo mixto de heliostatos que combina en el mismo campo heliostatos de distinto tamaño y/o diferentes tipos de facetas, teniendo todos ellos al menos una faceta y canteados o no, pudiendo tener facetas esféricas, cilíndricas, planas o casi planas (esféricas con radio de curvatura elevado) de manera que el campo solar estará optimizado para minimizar sombras y bloqueos entre heliostatos, gracias a un correcto posicionado de ellos en el campo.

Description

CAMPO MIXTO DE HELlOSTATOS

Sector técnico de la invención

La presente invención se engloba dentro del sector técnico de producción de energía eléctrica a partir de una planta solar termoeléctrica de receptor central de torre. Dentro de esta tecnología, la invención hace referencia al campo de heliostatos que rodea al receptor y que dirigen hacia él la radiación solar.

Antecedentes de la invención

Un heliostato consiste en una superficie reflectante a modo de espejo, cuya principal misión es la de reflejar la radiación solar y dirigirla hacia el lugar deseado. Dichos heliostatos son orienta bies y para ello habitualmente disponen de dos accionamientos para realizar un seguimiento individual del sol en dos ejes. Estos accionamientos permiten al heliostato realizar un movimiento azimutal y otro de elevación. En las plantas solares termoeléctricas de receptor central, el heliostato forma parte del campo solar. El campo solar consiste en un conjunto de heliostatos, cuya misión es la de reflejar la radiación solar y dirigirla hacia un receptor situado en lo alto de una torre. Así pues, la normal del heliostato está siempre a medio camino entre el sol y el receptor de la torre. Por el interior del receptor circula un fluido que es calentado por la radiación solar y o bien es turbinado directamente para la producción de electricidad, o bien es utilizado posteriormente en un intercambiador de calor para la producción de vapor que será finalmente turbinado. El heliostato, por lo tanto, es un elemento que consta de una superficie reflectiva, una estructura soporte, un mecanismo de accionamiento en azimut y elevación, un pedestal, con su correspondiente cimentación y un sistema de control local. Los heliostatos se han desarrollado a lo largo de la historia pasando por diferentes tipos y configuraciones. Podemos encontrar en el estado del arte, heliostatos de superficie reflectante continua, heliostatos de superficie reflectante tipo reflector fresnel, heliostatos de membrana tensionada o heliostatos facetados, como algunos de los ejemplos más relevantes. Los heliostatos de superficie reflectante continua pueden ser espejos, completamente planos, tanto en estructura como en superficie reflectante, como es el caso de los heliostatos de la patente US2009/0007901 y sobre los que volveremos a hablar más adelante.

Los heliostatos de membrana tensionada están fundamentalmente formados por una estructura, en forma circular y una membrana tensionada con una cierta curvatura, que contiene la superficie reflectante encargada de la concentración solar. Dicha curvatura confiere al heliostato la propiedad de concentrar. En lo que se refiere a 105 heliostatos facetados, el heliostato, está en este caso constituido por un conjunto de elementos reflectantes más pequeños, acompañados de una cierta estructura, que denominaremos facetas y cuyo conjunto, con una orientación determinada de dicha faceta (canteado de la faceta) constituye, el heliostato final. En lo que se refiere a heliostatos facetados, podemos encontrar en el estado del arte, diferentes configuraciones para la colocación de dichas facetas. La patente US4276872A divulga mediante sus figuras un heliostato facetado, donde las facetas que componen dichos heliostatos, cuentan tanto con una estructura o soporte como con una superficie reflectante plana. Con el fin de aportar la propiedad de concentrador a 105 heliostatos facetados y obtener así la máxima potencia térmica de radiación solar posible en el receptor, la superficie reflectiva de las facetas puede conformarse con una cierta curvatura. En la patente ES2351755 se describe un sistema de fabricación de facetas para heliostatos, constituidas por una superficie reflectante y un bastidor, donde la superficie reflectante se encuentra previamente curvada. La patente ES2326586 describe una faceta para heliostato, configurada a partir de una estructura plana, en la que el cuerpo reflectante se encuentra a su vez curvado. En función de la geometría de la superficie reflectante, existen dos tipos de heliostatos: 105 heliostatos no formadores de imagen y 105 heliostatos formadores de imagen. 1) Los heliostatos no formadores de imagen como el propuesto en "Non-imaging focusing heliostat" -Y. T. Chen , K. K. Chong, T. P. Bligh , L. C. Chen, Jasmy Yunus, K.

S. Kannan, B. H. Lim, C. S. Lim, M. A Alias, Noriah Bidin, Ornar Aliman, Sahar Salehan, SHK. ABO. Rezan S.AH., C. M. Tam and K. K. Tan., permiten reducir el efecto de astigmatismo, efecto de aberración óptica que se puede traducir en perdida de potencia en el receptor para una apertura de cavidad fijada a priori y que se produce cuando 105 ángulos de incidencia (ángulo que forma la normal del heliostato con el rayo incidente, que va de Oa 90°) son diferentes de cero. Este tipo de heliostatos tiene el inconveniente de que penalizan en coste el heliostato debido a que el seguimiento es del tipo rotaciónelevación: quedando 105 dos ejes principales del heliostato uno siempre perpendicular y el otro siempre paralelo al plano que forman el rayo incidente, la normal al heliostato y el rayo reflejado. Estos dos movimientos de rotación-elevación provocan que el centro de

gravedad del heliostato no quede en línea con el pedestal, lo cual supone estructuras más complejas de lo habitual. Por otra parte, se requieren mecanismos adicionales para las distintas facetas puesto que cada una de ellas rota de manera independientemente a las demás, con el fin de conseguir una orientación de sus ejes tal, que le permita dirigir los rayos al centro del receptor. En otros modos de ejecución, los heliostatos son del tipo reflectores afresnelados con seguimiento tipo azimut y elevación. Esta geometría tiene el inconveniente de rangos de movimientos limitados (patente ES1074545U) y efectos cosenos de segundo orden que contrarrestan el ahorro en coste asociado a eliminar curvatura de la estructura. 2) Por otro lado; dentro de los heliostatos formadores de imagen, podemos encontrar los heliostatos planos y los heliostatos tipo paraboloide de revolución o esféricos. Los heliostatos planos, para una aceptancia de diseño definida 13 (ángulo que tiene en cuenta los diferentes errores asociados a la fabricación y montaje del heliostato así como el ángulo subtendido por el sol), no tienen capacidad de concentración y proyectan su propia apertura (superficie del espejo) en el receptor, amplificada linealmente en distancia por el ángulo de aceptancia. Si se usaran grandes dimensiones, las pérdidas por desbordamiento en la apertura del receptor (pérdidas debido a la cantidad de radiación que es reflejada por el concentrador y que no alcanza el receptor) para heliostatos alejados harían no viable la inversión realizada en el propio heliostato. Estos heliostatos planos y pequeños, no concentran pero permiten la construcción de plantas modulares con una reducción significativa del coste estructural y de cimentación y del ahorro en el coste de curvatura de los espejos, sin embargo, hace que se eleven los costes de operación y mantenimiento por tener que contar con mayor número de mecanismos, control y asociados para aportar la misma potencia térmica que si estuviéramos en el caso de campos con heliostatos de mayores dimensiones. Este tipo de campo con heliostatos planos y de pequeñas dimensiones viene descrito en la patente US2009/007901 ya anteriormente mencionada. En el caso de heliostatos con superficie reflectante de paraboloide de revolución la óptica de concentración es diferente: definida la aceptancia de diseño y para ángulos de incidencia de la radiación solar prácticamente nulos, este tipo de colectores maximizan la concentración cuando la distancia focal es del orden de 0.6 veces la apertura siendo la concentración alcanzada C=0,25 (1/sen2~) =0,25 Cmax; es decir, 0.25 veces la concentración máxima posible para la óptica en cuestión, donde ~ es el semiángulo de aceptancia 13=2 ~. En la práctica los heliostatos de las plantas de torre conformados

esféricamente, tienen distancia focal mucho más elevada que la óptima bajo el criterio de captación máxima Cmax=1/sen2~; ello quiere decir que, con ángulos de incidencias pequeños o casi nulos, el heliostato concentra menos cuanto más se aleje del receptor, existiendo una distancia a partir de la cual el heliostato deja de concentrar, es decir, que la mancha generada reflejada en el receptor, tiene mayor tamaño que la propia apertura del heliostato y ello considerando sólo los rayos que están dentro de la aceptancia de diseño del colector. Es importante señalar que, para ángulos de incidencia pequeños y distancias focales habituales en los campos de heliostatos de las plantas de torre, la geometría tipo paraboloide es similar a la geometría esférica. Tomando pues geometría de heliostatos esféricas, para estas distancias focales o superiores, el tamaño de la mancha en el receptor es el mismo apuntando con un heliostato grande que con otro pequeño de la misma curvatura siempre para ángulos de incidencia casi nulos. La diferencia entre ambos aparece para ángulos de incidencia mayor de cero (denominamos ángulo de incidencia al ángulo que forma el vector director del rayo incidente en un punto del heliostato, con la normal a la superficie reflectante en dicho punto), de tal forma que para el caso de concentradores de forma esférica de grandes superficies, se produce un efecto de astigmatismo más acusado, dando lugar a una imagen algo más grande y difusa. A partir de la distancia focal f del heliostato definida como la distancia desde el punto de pivotamiento de los heliostatos (centro de la superficie reflectiva) al foco situado en lo

alto de la torre f = ../ (X-XoY! + (Y-Y¡¡.)2(Z-zoY:!; se define el radio de

curvatura del heliostato en cuestión como R teórico = 2f, siendo R = 2,/(X-Xo)Z +(Y-YorZ(Z-Zo)2 donde X, Y, Z son las coordenadas de

posicionamiento del heliostato, y (XO, YO, ZO) las coordenadas del punto de enfoque. Es importante señalar que las plantas de torre con este tipo de heliostatos en forma paraboloide o esférica de grandes superficies cuentan en el campo, con muchas referencias diferentes de curvatura; es decir, que cada heliostato tiene un radio de curvatura diferente en función de su posición en el campo solar y de su distancia a la torre. Este tipo de heliostatos de geometría esférica, tienen además mayor dificultad de montaje y fabricación debido a la necesidad de curvar los espejos de las facetas, cantear estas en el heliostato (orientar las facetas en la estructura del heliostato para que la geometría final sea un paraboloide o una esfera perfecta) y cantear la estructura es decir, conformarla con la curvatura y geometría deseada en función de su posición respecto a la torre. Sin embargo tienen la ventaja de menores gastos en operación y mantenimiento, manteniendo unos costes estructurales, de control e instrumentación y de mecanismos bajos. 3) En la patente ES8306688A 1 ya se mencionaba la posibilidad de que la superficie reflectante de las facetas de los heliostatos fuera plana, incorporando los soportes del espejo, medios para regular la orientación de éstas en torno a ejes verticales y horizontales. La invención que nos ocupa, intenta aunar las ventajas en un mismo campo solar tanto de los heliostatos de facetas planas, como de los heliostatos de superficie paraboloide o esférica y mezcla de ambos optimizando el tamaño, el coste total y su distribución en planta según el caso.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un campo de heliostatos mixto, para plantas de concentración solar de receptor central, donde se combinan heliostatos de diferente tipología, con el fin de optimizar las pérdidas por astigmatismo de éstos y el coste asociado a dicho campo. El campo solar de heliostatos mixto emplea en cada zona del campo el heliostato más adecuado. Se distinguen los siguientes tipos de heliostatos (entendiendo por cantear conferir al heliostato una curvatura general a base de orientar cada una de sus facetas de manera independiente):

1.: Heliostatos de gran tamaño S;:: 120 m2 con estructura canteada a esfera o paraboloide y:

1.1 Facetas esféricas

1.2 Facetas cilíndricas

1.3 Facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura)

2.: Heliostatos de tamaño mediano 20 m2 :s; S < 120 m2 con estructura canteada a esfera o paraboloide y:

2.1 Facetas esféricas

2.2 Facetas cilíndricas

2.3 Facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura)

3.: Heliostatos de pequeño tamaño con una única faceta S < 20 m2 en tres config uraciones:

3.1 Faceta esférica

3.2 Faceta cilíndrica

3.3 Faceta plana o casi plana (esférica con elevado radio de curvatura) En el caso de las facetas cilíndricas hay que tener en cuenta que solo se cantean en una dirección, esto es, según su dirección mayor y con igual radio de curvatura que el de la estructura. En el caso de las facetas esféricas cuentan con radio de curvatura que puede ser igual

o distinto al de la estructura y se orientan o cantean confiriendo al heliostato una curvatura esférica. Los criterios de selección de un tipo u otro de heliostato en las diferentes zonas del campo de heliostatos son: 1 -Efecto coseno: es la pérdida de área reflectiva debido a ángulos de incidencia elevados entre el rayo incidente o reflejado y la normal al heliostato puesta de

manifiesto en la expresión: Aefectilla = cos8Arsa ! donde () es el ángulo de incidencia.

Es importante señalar que el ángulo de incidencia solar es un parámetro que depende del día y la hora del año y sobre el que no se puede influir, una vez fijadas además, las posiciones óptimas en azimut y distancia a la torre de los heliostatos en el campo solar. Así cada heliostato en el campo solar tendrá un ángulo de incidencia promedio anual que marca su aportación a la generación de potencia eléctrica en la planta junto con otros parámetros. 2 -Necesidad de una zona del campo solar que aporte flujo de calor concentrado de tamaño mínimo, incluso para ángulos de incidencia elevados, permitiéndote realizar una distribución de potencia según las necesidades. Por ejemplo, con el objetivo de enfocar en determinadas zonas donde se desea aumentar la temperatura, permitiendo controlar posibles problemas en el receptor (plantas de torres de sales, en las que se pueden dar zonas de solidificación de éstas y en las que es necesario aportar flujo de radiación muy concentrado). Este control pormenorizado que permite calentar de manera especial ciertas zonas de la planta solar, gracias a heliostatos de mancha reducida que pueden ser orientados como se desee, es lo que se denomina control activo. 3 -Visibilidad de la cavidad donde se aloja el receptor desde el heliostato en cuestión, calculado a partir del ángulo de visibilidad o a que forma el rayo reflejado con el plano de la cavidad. 4 -Pérdidas por transmisividad atmosférica: efecto provocado por la atmósfera, por el cual, la potencia asociada al rayo reflejado se ve disminuida. Viene habitualmente expresada mediante un polinomio que depende de la distancia del heliostato al receptor y de una serie de coeficientes característicos de cada latitud y que van asociados a los

efectos de dispersión atmosférica, por la existencia de mayor o menor cantidad de partículas en la atmósfera. Además se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones: 5 -En el caso de ángulos de incidencia casi nulos todos los heliostatos del grupo generan una imagen similar. 6 -En el caso de ángulos de incidencia elevados, las simulaciones realizadas que comparan los heliostatos tipo 1.1, 1.2 en una posición representativa, muestran que las manchas proyectadas en la apertura por ambos son similares. 7 -Los estudios para una planta completa de potencia superior a 20 MW con heliostatos del tipo 1.3 permiten concluir que, aunque los picos de densidad de flujo de energía en el receptor descienden, sorprendentemente los valores de desbordamiento no difieren tanto del caso de heliostatos 1.1 y 1.2. Para plantas de potencia nominal superior a 20 MW, la utilización por tanto de heliostatos de los tipos 1.2 Y 1.3 en todo o determinadas posiciones del campo, en sustitución de los heliostatos tipo 1.1 actualmente empleadas en los campos de heliostatos del estado del arte, supondría un gran ahorro en el coste del heliostato, por lo que no se tiene la necesidad de dotar de doble curvatura a todos los espejos que constituyen la superficie del concentrador, manteniendo dicha capacidad de concentración gracias al canteado de la estructura en forma paraboloide o esférica. 8 -Si es necesario utilizar heliostatos que generan una mancha muy controlada independientemente del ángulo de incidencia puntual, es necesario combatir el efecto de astigmatismo que produce la aberración esférica de las facetas esféricas (que se traduce en pérdidas por desbordamiento en el receptor para un tamaño de receptor definido) y para ello se propone utilizar los heliostatos del tipo 2 y 3. Cuanto menor es el tamaño de los heliostatos, menor es el desbordamiento que estos generan en el receptor para ángulos de incidencia no nulos. Además, es para los heliostatos más cercanos a la torre para los que el potencial de mejora al reducir su tamaño es mayor; ya que existe una posición respecto a la torre crítica a partir de la cual es mayor el efecto de la distancia en el astigmatismo que el del tamaño del propio espejo. 9 -Para heliostatos muy cercanos a la torre con radios de curvatura muy acusados, puede darse el caso de que existan dificultades en la fabricación de las facetas esféricas, que requieren curvaturas muy grandes (radios de curvatura pequeños) para superficies reflectivas que son frágiles. Para estos casos, la invención contempla la posibilidad de situar en las primeras filas del campo solar, heliostatos del tipo 1.2 o 1.3, con facetas cilíndricas, que únicamente requieren curvatura con respecto a uno de sus

ejes, lo que supone, una gran simplificación en su fabricación, o simplemente con facetas planas. 10 -En aquellas zonas del campo en las que la visibilidad del receptor sea baja (los ángulos de visibilidad a sean mayores a 35°), se propone emplear heliostatos de tipo 2

o 3, es decir, heliostatos medianos o pequeños que te permitan generar una imagen más pequeña que los grandes tipo 1, cuya totalidad entre dentro de la cavidad. 11 -Si se utiliza campo solar con heliostatos del tipo 1.2, 1.3, 2.2, 2.3 es posible reducir el número de referencias de curvaturas, es decir, en lugar de que cada heliostato esté totalmente o parcialmente canteado (tanto en la curvatura de sus facetas como de su estructura) con diferente radio teórico, según su distancia a la torre, se propone establecer grupos de heliostatos con radio de curvatura teórica similar, que llevarán todos, un mismo radio de curvatura real igual al radio de curvatura teórico del heliostato del grupo más alejado al receptor o bien cercano a la media de todos los radios de curvatura teóricos correspondientes a dicho grupo. La combinación por tanto en un campo solar de todos o algunos de los tipos de heliostatos enumerados anteriormente puede conducir a un incremento de la eficiencia óptica y a un control más fino del receptor. Por otro lado, la disminución en el número de facetas necesarias conformadas esféricamente en el cómputo total del campo solar, nos permite una reducción de costes significativa para una planta solar termoeléctrica, puesto que el coste del campo solar supone aproximadamente el 30% del coste total de éste. En todos los casos y en todas las combinaciones el campo solar estará optimizado para minimizar sombras y bloqueos entre heliostatos, gracias a un correcto posicionado de ellos en el campo. Además se considera cualquier tipo de campo: Norte, Sur, circular ...

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1: Espejo plano con semiángulo de aceptancia 5 Figura 2: Heliostato facetado plano del estado del arte Figura 3: Heliostato no formador de imagen del estado del arte Figura 4: Heliostatos con facetas planas canteado esféricamente Figura 5: Heliostato con facetas cilíndricas Figura 6: Ejemplo de efecto coseno en campo de heliostatos Norte

Figura 7 Ángulo de visibilidad del receptor en campo de heliostatos Figura 8 Primera realización preferente campo solar mixto Figura 9 Segunda realización preferente campo solar mixto Figura 10 Tercera realización preferente campo solar mixto

5 Figura 11 Cuarta realización preferente campo solar mixto Las referencias que aparecen en las figuras representan:

1.: Zona del campo de heliostatos mixto donde a<35° y cos() > 0,78

2.: Zona del campo de heliostatos mixto donde a<15° y cos() < 0,78

3.: Zona del campo de heliostatos mixto donde a>35° y cose > 0,78

: 10 4. Zona del campo de heliostatos mixto donde a>150y cos(J < 0,78

5.: Zona del campo de heliostatos mixto con a<25°

6.: Zona del campo de heliostatos mixto con a>25°

7.: Zona del campo de heliostatos mixto con ángulos de incidencia < 45% del ángulo de incidencia anual máximo y a <25°

: 15 8. Zona del campo de heliostatos mixto con a>25°

9.: Zona del campo de heliostatos mixto con ángulos de incidencia> 45% del ángulo de incidencia anual máximo

10.: Zona del campo de heliostatos mixto con ángulos de incidencia < 45% del ángulo de

incidencia anual máximo y a<25° 20 11. Zona del campo de heliostatos mixto con a>25°

12.: Zona del campo de heliostatos mixto con ángulos de incidencia < 45% del ángulo de incidencia anual máximo.

13.: Zona del campo de heliostatos mixto con ángulos de incidencia < 30% del ángulo de

incidencia anual máximo 25 18. Zona del campo de helióstatos con muy alta visibilidad del receptor a<100

19.: Zona del campo de helióstatos con muy alta visibilidad del receptor 100<a<15°

20.: Zona del campo de heliostatos con alta visibilidad del receptor 15°<a < 20°

21.: Zona del campo de heliostatos con alta visibilidad del receptor 200<a < 25°

22. Zona del campo de heliostatos con visibilidad media del receptor 25°<a < 30° 30 23. Zona del campo de heliostatos con visibilidad media del receptor 300<a < 35°

24.: Zona del campo de heliostatos con visibilidad baja del receptor 35°<a < 40°

25.: Zona del campo de heliostatos con visibilidad baja del receptor a > 40°

30.: Zona del campo de heliostatos con efecto coseno entre 0.911 y 0.811

31.: Zona del campo de heliostatos con efecto coseno entre 0.811 y 0.761

32.: Zona del campo de heliostatos con efecto coseno entre 0.761 y 0.711

33.: Zona del campo de heliostatos con efecto coseno entre 0.711 y 0.661

34.: Zona del campo de heliostatos con efecto coseno entre 0.661 y 0.55

Realización preferente de la invención

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del sistema objeto de esta invención. Antes de comenzar la descripción de un campo mixto concreto, se adjuntan una serie de figuras que muestran algunos de los diferentes tipos de heliostatos que se pueden combinar. En la figura 1 se muestra un espejo plano con semiángulo de aceptancia O. La figura 2 muestra un ejemplo de heliostato facetado plano. En la figura 3 se observa un heliostato no formador de imagen La figura 4 representa un heliostato de facetas planas y canteado esférico, es decir, cada una de las facetas planas se orientan de manera que el heliostato adquiere en su conjunto una curvatura esférica. En la figura 5 se observa un heliostato formado a base de facetas cilíndricas. El campo de heliostatos propuesto en esta invención puede combinar en una misma planta de receptor central: -Heliostatos de gran tamaño, típicamente de 120 m2 o 140 m2 canteados a paraboloide o esfera, con 28 o 32 facetas planas respectivamente, -heliostatos de gran tamaño de 120 0140 m2, canteados a paraboloide o esfera con 28

o 32 facetas conformadas esférica o cilíndricamente, -heliostatos de tamaño mediano, típicamente de 20 m2 canteados a paraboloide o esfera con un número pequeño de facetas (4 o 5) planas, esféricas o cilíndricas y -heliostatos de pequeño tamaño típicamente de 4 m2 con una faceta plana o cilíndrica. La elección de uno u otro tipo de heliostato en las distintas posiciones del campo, se basa fundamentalmente en un criterio de minimización del coste de la planta; en el ángulo de incidencia medio anual (que se traduce en efecto coseno anual y efectos astigmáticos), la visibilidad del receptor de los heliostatos y en la posible necesidad de la planta de tener una parte del campo solar capaz de generar manchas solares de tamaño mínimo, para poder ayudar en un eventual control del flujo de calor más fino en el receptor. En el caso concreto de la figura 6 se observa un ejemplo de efecto coseno en campo de heliostatos Norte, concretamente se trata de un campo circular de latitud 37,24°. En ella se distinguen, de manera esquemática, distintos rangos de efecto coseno que se distribuyen como sigue: intervalo de 0.911 a 0.811 (30), de 0.811 a 0.761 (31), de 0.761 a 0.711 (32), de 0.711 a 0.661 (33) y de 0.661 a 0.55 (34). La figura 7 muestra la visibilidad del receptor de los heliostatos calculada para un campo circular en latitud Norte y receptor cilíndrico externo. De forma esquemática se divide el campo de heliostatos en ocho zonas (18, 25) en las que va variando la visibilidad del receptor que tienen los heliostatos, siendo las zonas de mayor visibilidad,

o muy alta visibilidad las zonas (18) y (19) con o < 15°, las zonas (20) y (21) son zonas de alta visibilidad correspondientes a ángulo de visibilidad 15° < o < 25°, las zonas de media visibilidad (22) y (23) corresponden a ángulos de visibilidad 25° < o < 35°, y las zonas de baja visibilidad (24) y (25) corresponden a o > 35°. En la figura 8 podemos ver el primer caso preferente de un campo de heliostatos, en latitud Norte, en el que la distribución de los distintos tipos de heliostatos se plantea de la siguiente manera: -Zona 1: Constituida por heliostatos de tipo 1.3, es decir, heliostatos de gran tamaño con estructura canteada a esfera o paraboloide y facetas planas del tipo representado en la Figura 3, que se sitúan en aquella zona del campo, en la que el ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo (para una latitud de 37,34 ° y campo norte, ángulo de incidencia mayor de 45° o efecto coseno medio anual mayor a 0,78), y la visibilidad del heliostato es media o alta.

cosO> 0,78

15°<0<35° -Zona 2: Constituida por heliostatos de tipo 1.3, es decir, heliostatos de gran tamaño, canteados a paraboloide o esfera con facetas planas que se sitúan en aquella zona del campo, en la que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo (para una latitud de 37,34 °y campo norte, ángulo de incidencia menor de 45° o efecto coseno medio anual menor a 0,78), Y la visibilidad del receptor es muy alta.

cose < 0,78

0<15° -Zona 3: Constituida por heliostatos de tipo 2.1 o 2.2, es decir, heliostatos de mediano tamaño canteados a paraboloide o esfera con facetas cilíndricas como los representados en la Figura 4, que se sitúan en aquella zona del campo, en la que el ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo(para una latitud de 37,34 ° Y campo norte, ángulo de incidencia mayor de 45° o efecto coseno medio anual mayor a 0,78) , Y la visibilidad del receptor es baja.

cos() > 0,78

a>35° En el caso de necesidad de tener una parte del campo solar capaz de generar manchas solares de tamaño mínimo para poder realizar un control activo y así ayudar en un eventual control del flujo de calor a receptor más fino, podrían incluirse aquí heliostatos de pequeño tamaño canteado a paraboloide o esfera con un número pequeño de facetas (típicamente 4 o 5), como heliostatos de pequeño tamaño con una faceta plana, heliostatos tipo 3.2 y 3.3. -Zona 4: Constituida por heliostatos de tamaño inferior al resto de los heliostatos de campo con facetas esféricas (preferentemente heliostatos pequeños del tipo 3.1 o 3.2), que se sitúan en aquella zona del campo, en las que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo (para una latitud de 37,34 ° Y campo norte, ángulo de incidencia menor de 45° o efecto coseno medio anual menor a 0,78), Y la visibilidad del receptor es media o baja. cose < 0,78

a>25° Preferiblemente los heliostatos de las zonas 1, 2 son de 120m2 con 28 facetas distribuidas en 4 columnas y 7 filas y los heliostatos de la zona 3 de 20 m2. En el caso de los heliostatos de la zona 3 es posible utilizar también heliostatos de 1 faceta de 4 m2. Para la zona 4 la realización preferente es de heliostatos de 4 m2.

En la figura 9 podemos ver el segundo caso de realización preferente de la invención, con transmisividad atmosférica alta superior a 0,95: -Zona 5: alta o muy alta visibilidad del receptor (a < 25°), heliostatos 1.2 ó 1.3 -Zona 6: media o baja visibilidad (ángulos de visibilidad del receptor a > 25°), reservada a heliostatos sin astigmatismo con mancha minimizada: heliostato 3.2 ó 3.3 del orden de 4 m2 En la figura 10 podemos ver el tercer caso de realización preferente de la invención con transmisividad atmosférica alta superior a 0,95:

-: Zona 7: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) y alta o muy alta visibilidad del receptor (o menores de 25°), heliostatos 1.2 o

1.3 -Zona 8: media o baja visibilidad (o mayores de 25°), heliostatos sin astigmatismo con

5 mancha minimizada tipo 3.1 ó 3.2 -Zona 9: ángulos de incidencia altos (mayores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo), reservada a heliostatos sin astigmatismo con mancha minimizada, heliostato

2.1 o 2.2 de 20 m2 con 5 facetas.

10 En la figura 11 podemos ver el cuarto caso de realización preferente de la invención con transmisividad atmosférica baja inferior a 0,95: -Zona 10: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo), y alta o muy alta visibilidad del receptor o menores de 25° heliostato 1.2 ó 1.3

15 -Zona 11: media o baja visibilidad (o mayores de 25°), heliostatos sin astigmatismo con mancha minimizada tipo 3.2 ó 3.3. -Zona 12: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) reservada a heliostatos sin astigmatismo con mancha minimizada: heliostato 2.1 ó 2.2

20 -Zona 13: ángulos de incidencia muy bajos (menores del 30% del ángulo de incidencia anual máximo), heliostatos sin astigmatismo con mancha minimizada tipo 3.2 ó 3.3.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Campo mixto de heliostatos para plantas de concentración solar de receptor central que minimiza las pérdidas por astigmatismo, el efecto coseno y maximiza la visibilidad de cada heliostato caracterizado porque en el mismo campo se instalan heliostatos, formados todos ellos por al menos una faceta y siendo de diferentes tamaños y/o diferentes tipos de facetas, ya sean facetas esféricas, cilíndricas, planas o casi planas, estando sometidos a un control activo.
2.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 donde existen heliostatos con diferentes canteados (diferente orientación de las facetas).
3.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de gran tamaño, siendo su superficie ~120 m2.
4.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas esféricas canteadas.
5.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas cilíndricas canteadas a paraboloide o esfera en la dirección correspondiente a la dimensión mayor.
6.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas planas o casi planas (esféricas de elevado radio de curvatura).
7.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de tamaño mediano, siendo su superficie 20 m2 :S Superficie < 120 m2.
8.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas esféricas canteadas.
9.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas cilíndricas canteadas en la dirección correspondiente a la dimensión mayor.
10.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura).
11.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de pequeño tamaño con al menos una única faceta de superficie < 20m2.
12.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es cilíndrica.
13.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es plana

o casi plana (esférica con elevado radio de curvatura).
14.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es estérica.
15.

Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3 y 7 caracterizado porque se establece el campo con grupos de heliostatos con radio de curvatura teórica similar, llevando todos un mismo radio de curvatura real igual al radio de curvatura teórico del heliostato del grupo más alejado al receptor o bien cercano a la media de todos los radios de curvatura teóricos correspondientes a dicho grupo.
16.

Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 7 y 11 caracterizado porque en aquellas zonas del campo en las que la visibilidad del receptor sea baja (o > 35°), se emplean heliostatos medianos o pequeños.
17. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7, Y 11 caracterizado porque se distribuye en cuatro zonas siendo: -Zona 1: Constituida por heliostatos de gran tamaño con estructura canteada a esfera o paraboloide y facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura) y que se sitúan en aquella zona del campo en la que el ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del heliostato es media o alta (se entiende por media 25°<0<35° y por alta 15° < o < 25°) -Zona 2: Constituida por heliostatos de gran tamaño, canteados a paraboloide o esfera con facetas planas que se sitúan en aquella zona del campo, en la que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del receptor es muy alta, concretamente 0<15° y la distancia del heliostato a la base de la torre es mayor que diez veces la altura óptica de ésta;

-

Zona 3: Constituida por heliostatos de mediano tamaño canteados a paraboloide

o esfera con facetas cilíndricas, que se sitúan en aquella zona del campo en la que ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo, y la visibilidad del receptor es baja (0)35°);

-

Zona 4: Constituida por heliostatos pequeños que se sitúan en aquella zona del campo en la que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del receptor es media o baja.
18.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 17 caracterizado porque el campo tiene una latitud de 37,34 ° Y campo norte, ángulo de incidencia menor de 45° o efecto coseno medio anual menor a 0,78.
19.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 17 caracterizado porque los heliostatos de las zonas 1, 2 son de 120m2 con 28 facetas distribuidas en 4 columnas y 7 filas y los heliostatos de la zona 4 de 4 m2,.
20.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 19 caracterizado porque los heliostatos de la zona 3 son de 20 m2.
21.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 19 caracterizado porque en la zona 3 se incluyen heliostatos de pequeño tamaño para realizar un control activo que oriente la mancha solar de tamaño reducido donde interese.
22.

Campo mixto de heliostatos según reivindicación 21 caracterizado porque en la zona 3 se utilizan heliostatos de una faceta de 4 m2.
23.

Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3 y 11 caracterizado porque el campo tiene una transmisividad atmosférica superior a 0,95 y los heliostatos se distribuyen en dos zonas: -Zona 5: alta visibilidad del receptor (15° < o < 25°), heliostatos de gran tamaño con facetas cilíndricas o planas; -Zona 6: baja visibilidad (o> 35°), reservada a heliostatos de pequeño tamaño sin astigmatismo con mancha minimizada.
24.

Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7 Y 11 caracterizado porque el campo tiene una transmisividad atmosférica superior a 0,95 y los heliostatos se distribuyen en tres zonas:

Zona 7: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) y alta o muy alta visibilidad del receptor (o menores de 25°), heliostatos de gran tamaño y facetas cilíndricas o planas

Zona 8: media o baja visibilidad (o mayores de 25°), heliostatos pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada

Zona 9: ángulos de incidencia altos (mayores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo), reservada a heliostatos medianos sin astigmatismo con mancha minimizada y de faceta esférica o cilíndrica.
25. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7 Y 11 caracterizado porque los heliostatos se distribuyen en cuatro zonas:

Zona 10: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo), y alta o muy alta visibilidad del receptor a < 25°, con heliostatos grandes de faceta cilíndrica o plana;

-

Zona 11: media o baja visibilidad (a mayores de 25°), heliostatos

5 pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada; -Zona 12: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) reservada a heliostatos medianos sin astigmatismo con mancha minimizada y de faceta esférica o cilíndrica; -Zona 13: ángulos de incidencia muy bajos (menores del 30% del ángulo

10 de incidencia anual máximo), heliostatos pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada.

Figura 1

Figura 2 Figura 3

Figura 4

o

Figura 5

Figura 6

19---#--J~ 20

21--t--I-""¡"'r..

,,..",,"",,--+--1--22

23_--I-U--J..¡L

n--H--H.--l---24

25 ---I-I-I--t---.:~

Figura 7

4 ---I--L-

Figura 8

5 6

Figura 9

7 8

Figura 10

11

Figura 11