ES2449167A1 - Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar - Google Patents

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Abstract

Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar. Sistema basado en montar en el extremo del espejo o espejos longitudinales de un colector lineal, un espejo plano perpendicular al eje longitudinal del colector, siendo el espejo de forma y tamaño que coincide en su base con la línea continua de la sección recta del espejo o franjas longitudinales de espejos del colector en dicho extremo, y por cada lateral asciende en línea recta desde el punto más exterior por ese lado del espejo o franjas de espejos, hasta el punto más exterior del receptor por ese lado. El espejo puede dividirse en módulos orientables de eje vertical, y además puede ser inclinado verticalmente, para proporcionar una distribución deseada de intensidad de radiación sobre el receptor.

Description

Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar.
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se encuadra en el campo de los colectores de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales cuyos ejes más largos son horizontales o levemente inclinados, pudiendo corresponder los espejos a una misma parábola en su sección recta, por lo que se denominan cilindro-parabólicos; o pudiendo fraccionarse el campo de espejos en un conjunto de franjas longitudinales cada una de las cuales corresponde a un perfil parabólico distinto, teniendo todos los espejos o franjas de espejos una misma línea focal, que es donde se sitúa el receptor. Este es un conjunto de tubos por donde circula el fluido calorífero, en el caso de las aplicaciones termosolares, y en conjunto de obleas de fotodiodos si la aplicación es fotovoltaica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Antecedentes de concentradores de espejos orientables con configuración longitudinal hay muchos, y se pueden dividir en dispositivos cilindro-parabólicos, si los espejos tienen una única parábola como sección recta, o Fresnel, si está el campo de espejos dividido en franjas. Como caso longitudinal horizontal plano cabe citar la solicitud internacional WO 99/42765, y como cilindro-parabólico el descrito en la patente US 4,243,019. De los propios solicitantes se puede mencionar la patente ES2345427B2 (P201000644).
Hay muchos otros documentos que presentan mejoras parciales, como el documento DE102007026473 (A1), que presenta una mejora del sistema de giro de un cilindro-parabólico, o el DE102011056790 (A1) que propone unas barras de torsión para hacer más robusto y preciso el mecanismo de seguimiento solar. En general los montajes de los colectores, tal como se describe en WO2012110332 (A1), se conforman en cadena mucho más larga que la distancia media desde los espejos al receptor en el plano transversal, por lo cual las pérdidas de radiación son pequeñas (menores de 1% en los casos habituales) y no se les presta atención.
En el artículo publicado por Mills y Morrison en “Solar Energy”, volumen 68, páginas 263-283, año 2000, titulado “Compact linear Fresnel reflector solar thermal power plant”, se añade en la parte trasera del reflector, particularmente en la figura 3, un espejo transversal, como solución elemental para evitar las llamadas “end losses”, pero no se hace ningún análisis de las relaciones geométricas existentes entre los diversos espejos y su interacción óptica con el receptor, con lo cual dichos espejos quedan sin especificar, y sus efectos sin caracterizar.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER
El problema consiste en configurar el dispositivo de concentración de tal modo que se eviten las pérdidas de radiación reflejada en las partes más extremas de un colector lineal, y además se aprovechen eficientemente proyectándolas sobre el receptor, dado que estas pérdidas son apreciables cuando la trayectoria de la radiación solar original tiene una componente vectorial muy larga en sentido longitudinal. Ello equivale a que la radiación solar original presente en ese momento un valor pequeño del ángulo agudo que existe en la proyección de la incidencia de dicha radiación solar original con el plano horizontal del lugar, efectuándose la citada proyección sobre el plano medio longitudinal vertical del sistema colector, compuesto de un reflector o conjunto de espejos, y un receptor, (al cual separa virtualmente en dos mitades).
Un parámetro importante para la caracterización del problema y su solución es el valor mínimo que adquiere dicho ángulo en el funcionamiento del colector; por debajo del cual, el colector no entra en funcionamiento ni se enfoca al sol; denominándose a dicho valor: ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal.
El fenómeno considerado depende de la ubicación del eje del colector. Si es en disposición Norte-Sur, las pérdidas solo se dan en el extremo norte, si el colector está en el hemisferio Norte; y viceversa, si está en el Sur.
En los montajes Este-Oeste, las pérdidas por la mañana se producen en el Oeste; y por la tarde en el Este. Se da en estos casos un problema añadido, y es la sombra que cualquier aditamento que se ubique en un extremo pueda proyectar sobre parte del campo de espejos.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en situar en el extremo del reflector longitudinal de un colector lineal, un espejo plano perpendicular al eje longitudinal del colector, que constituye el espejo de cierre por dicho extremo, siendo dicho espejo de cierre en forma y tamaño coincidente en su base con la línea continua de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha línea es continua; y siendo coincidente la base de dicho espejo de cierre, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, con la línea horizontal que pasa por el punto más bajo que alcanza cualquier extremo de dichas franjas en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor; extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor, por ese lado, con el punto más exterior de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha sección recta es continua; y extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor, por ese lado, con el punto más alejado respecto del plano medio longitudinal, al que llega el extremo exterior de la franja más exterior del reflector, en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor.
Como variante de materialización de la invención, el espejo plano perpendicular ubicado en el extremo se subdivide en un conjunto de espejos planos y perpendiculares, que son giratorios alrededor de un eje vertical central al cual están solidariamente unidos; pudiendo además subdividirse cada franja vertical en módulos de espejo, según la altura.
Esta subdivisión permite minimizar el efecto de sobrepresión dinámica del viento sobre la estructura, pues un único espejo, fijo, provocaría una resistencia considerable al paso del viento. Los espejos modulares verticales pueden quedar en giro libre (o casi libre) en caso de mucho viento, minimizando así los esfuerzos que tiene que soportar la estructura.
Como prescripción adicional en los montajes según el paralelo, con eje longitudinal del colector en sentido Este-Oeste, para evitar sombras de los espejos de cierre por los extremos, cada uno de estos espejos se compone de un conjunto de espejos modulares verticales y giratorios a voluntad alrededor de los ejes verticales correspondientes, para lo cual van previstos de un motor, y durante las horas anteriores al mediodía, cada módulo de espejo del extremo oriental se gira manteniendo la cara del espejo contenida en el plano virtual que forman el eje de giro del espejo y la posición del sol en ese momento; y durante las horas posteriores al mediodía, las mismas prescripciones se aplican al conjunto de módulos de espejo del extremo occidental.
La invención incluye la disposición de los espejos del extremo no en posición transversal perfectamente perpendicular al eje del colector, sino con inclinación del espejo en sentido vertical y con cierto giro en sentido transversal; siendo la selección de base de la invención que la inclinación vertical sea mirando el espejo hacia abajo con un giro seleccionado entre 0 grados sexagesimales y la mitad del valor del ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal; y el giro lateral sea mirando el espejo hacia afuera, con un ángulo de giro entre 0 grados sexagesimales y el arco cuya tangente sea 5 veces el cociente entre la anchura y la longitud del receptor (por razones de óptica geométrica que se expondrán al describir el montaje preferente).
El valor de la inclinación y del giro transversal dependen de la distribución superficial de radiación incidente que se desee producir en el receptor, lo cual a su vez depende de su anchura, y también depende de la inclinación de la radiación solar incidente.
EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS
Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los elementos son muy dispares; pero son representativas de la invención y de sus principios de funcionamiento.
La figura 1 muestra un esquema, en sección recta, del dispositivo de concentración mediante franjas de espejos, o montaje Fresnel de reflexión.
La figura 2 muestra el esquema, asimismo en sección recta, de un colector cilindro-parabólico (de estructura simplificada).
La figura 3 es una representación tridimensional de un rayo reflejado por un punto de un espejo, y su trayectoria hasta el receptor; más la modificación que experimenta dicha trayectoria si se interpone un espejo vertical similar al reivindicado en la invención.
La figura 4 muestra un corte longitudinal de las trayectorias de rayos reflejados de distinta inclinación, en espejos de tipo longitudinal, y la subsiguiente radiación reflejada.
La figura 5 es similar a la 4, pero incluyendo el espejo del extremo septentrional y el efecto sobre los rayos reflejados desde ese extremo.
La figura 6 es similar a la 3, incluyendo un rayo reflejado adicional, para ilustrar un principio importante ópticogeométrico que es usado en la invención, y que se enuncia como sigue; el lugar geométrico de corte contra un espejo transversal, de los rayos reflejados desde una banda longitudinal de espejos que están perfectamente enfocados para llegar a un receptor longitudinal o línea focal, es el segmento del espejo que va desde el punto de corte del espejo con la banda longitudinal hasta el punto de corte del espejo son el receptor longitudinal.
La figura 7 es igual que la 6, añadiendo un rayo reflejado desde una posición más interna del campo de espejos, respecto de la banda longitudinal ya dicha, y estando dicha posición a la misma altura que la primera (si no lo están, las trayectorias son similares, pero no directamente comparables).
La figura 8 muestra el dispositivo Fresnel de la figura 1, en el que se ha acoplado al fondo el espejo de cierre por dicho extremo.
La figura 9 muestra el dispositivo de la figura 2, en el que se ha acoplado el espejo de cierre por el extremo que se ve como fondo del colector cilindro-parabólico.
La figura 10 muestra una figura similar a la 8, en la cual se ha sustituido el espejo de cierre por un conjunto de espejos que conforman una superficie especular igual a la de la figura 8, estando cada módulo de espejo solidariamente unido a su eje de giro vertical.
La figura 11 se compone de dos grafos acoplados pues son la proyección de la trayectoria de un rayo reflejado como el de la figura 3, por un lado (arriba) sobre el plano vertical lateral del sistema, y por otro lado (abajo) la proyección sobre el plano horizontal (que contiene a la banda longitudinal antedicha).
La figura 12 es igual a la 11, habiéndose añadido un rayo reflejado desde un punto más interior del campo de espejos, y estando dicho punto a la misma altura que el primero (igual que en la figura 7).
La figura 13 es similar a la 11, con la variación de que el espejo está inclinado ligeramente hacia abajo.
La figura 14 también es similar a la 11, añadiendo de nuevo un rayo reflejado desde un punto más interior del campo de espejos, como se hizo en las figuras 7 y 12.
La figura 15 representa el mismo caso que la figura 14, pero en este caso el espejo no sólo está inclinado hacia abajo, sino torcido hacia el exterior, muy ligeramente, obteniéndose unos resultados interesantes para tratar óptimamente la radiación así reflejada por el espejo de cierre.
La figura 16 muestra dos imágenes asociadas correspondiendo a la vista lateral y la vista frontal trasera de un montaje específico de un espejo de cierre, para uno de los lados de un campo de espejos Fresnel, incluyendo los elementos que hacen posible la aplicación de la invención.
La figura 17 muestra un espejo de cierre (de un lado) compuesto de varios módulos, no sólo en división vertical, sino también en varias alturas.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:
1.
Receptor de la radiación solar, que en este caso mira al semi-espacio de la derecha del campo de espejos.
2.
Punto más externo de la superficie o cara activa del receptor, en cada semi-espacio.
3.
Báculo de sujeción del receptor.
4.
Radiación solar directa.
5.
Espejos longitudinales que reflejan la radiación solar original sobre el receptor.
6.
Radiación solar reflejada por los espejos (5).
7.
Rectas normales a los espejos en sus puntos centrales en la sección recta mostrada en figura 1 y similares.
8.
Rótulas del eje de giro de los espejos (5).
9.
Pilares bajos que mantienen en su altura y posición a los ejes de los espejos.
10.
Terreno horizontal.
11.
Pilar de colector cilindro-parabólico.
12.
Espejo cilindro-parabólico.
13.
Estructura soporte del espejo cilindro-parabólico.
14.
Tubo receptor del colector cilindro-parabólico.
15.
Soporte del tubo receptor 14.
16.
Eje de giro del conjunto estructura 13, espejo 12, soporte 15 y tubo 14
17.
Receptor lineal de la radiación solar reflejada.
18.
Banda lineal de un espejo que tiene como línea focal el receptor 17.
19.
Punto en el que se produce la reflexión que da origen al rayo 20.
20.
Rayo genérico reflejado desde 19.
21.
Proyección de la trayectoria del rayo 20 sobre el plano transversal asociado al punto 19.
22.
Proyección de la trayectoria del rayo 20 sobre el plano vertical-lateral asociado al punto 19.
23.
Proyección de la trayectoria del rayo 20 sobre el plano horizontal asociado al punto 19.
24.
Espejo vertical transversal interpuesto en un extremo del colector longitudinal.
25.
Punto donde la trayectoria del rayo 20 impacta en el espejo 24.
26.
Punto en el receptor 17 al que llegaría el rayo 20 si no se interpusiera el espejo 24.
27.
Punto en el receptor 17 al que llega el rayo 20 tras su reflexión en el punto 25,
28.
Distancia longitudinal, medida sobre el receptor, desde el espejo al punto en el que virtualmente hubiera impactado el rayo 20, de no haber habido espejo 24.
29.
Distancia, medida sobre el receptor, desde el espejo transversal 24 al punto 27 en el que impacta el rayo 20, por reflexión en el espejo 24.
30.
Proyección del punto 25 sobre el plano horizontal que contiene la traza 23.
31.
Proyección del punto 25 sobre el plano vertical-lateral que contiene la traza 22.
32.
Recta longitudinal horizontal contenida en el plano medio (76), que está al pie del receptor, a la altura de la banda de espejo considerada.
33.
Proyección en el plano longitudinal del rayo reflejado en el extremo meridional de la banda de espejo 18, correspondiente a la situación de máxima altura aparente del sol en la ubicación del dispositivo, que está montado en el hemisferio norte y con orientación según el meridiano local (N-S). Salvo raras latitudes, corresponde a la vertical
34.
Proyección en el plano longitudinal del rayo reflejado en el extremo meridional de la banda de espejo 18, correspondiente a la situación de mínima altura del sol, por encima de la cual trabaja el dispositivo, que está montado en el hemisferio norte y con orientación según el meridiano local (N-S).
35.
Proyección en el plano longitudinal del rayo reflejado en el extremo septentrional de la banda de espejo 18, correspondiente a la situación de máxima altura aparente del sol en la ubicación del dispositivo, que está montado en el hemisferio norte y con orientación según el meridiano local (N-S). Salvo raras latitudes, corresponde a la vertical.
36.
Proyección en el plano longitudinal del rayo reflejado en el extremo septentrional de la banda de espejo 18, correspondiente a la situación de mínima altura del sol, por encima de la cual trabaja el dispositivo, que está montado en el hemisferio norte y con orientación según el meridiano local (N-S).
37.
Espejo de cierre por el extremo más alejado del sol.
38.
Rayo reflejado en el espejo de cierre por el extremo septentrional, en vez del rayo originalmente reflejado (36).
39.
Punto del receptor (17) en el que impacta el rayo 38.
40.
Rayo reflejado sobre la banda 18, en el punto 44, más cercano al espejo 24 que el punto 19 de reflexión del rayo 20.
41.
Proyección de la trayectoria del rayo 40 sobre el plano transversal asociado al punto 44.
42.
Proyección de la trayectoria del rayo 40 sobre el plano vertical-lateral asociado al punto 44.
43.
Proyección de la trayectoria del rayo 40 sobre el plano horizontal asociado al punto 44.
44.
Punto de la banda 18 en el que se refleja el rayo 40.
45.
Punto del espejo 24 donde incide el rayo 40.
46.
Proyección del punto 45 sobre el plano horizontal que contiene la traza 43.
47.
Proyección del punto 45 sobre el plano vertical-lateral que contiene la traza 42.
48.
Distancia a lo largo del receptor desde el espejo de cierre hasta el punto en el que virtualmente el rayo 40 impactaría en la prolongación virtual de 17.
49.
Distancia a lo largo del receptor desde el espejo de cierre hasta el punto en el que impacta el rayo 50, reflejado de la reflexión del rayo 40 en el espejo 24.
50.
Rayo reflejado desde el punto 45 del espejo 24, donde impacta el rayo 40
51.
Línea recta que es el lugar geométrico de los puntos de impacto en el espejo 24 de los rayos reflejados en la banda 18 con dirección al eje central del receptor. Todos los rayos reflejados por puntos del campo de espejos interiores a la banda 18 (hasta el eje de simetría 32) impactan en el espejo 24 en puntos que se hallan en el plano limitado por dicha línea 51, en el triángulo inferior e interior que se forma en el espejo cuando este es partido por una diagonal que va desde el receptor hasta la banda 18.
52.
Línea simétrica a la 51, por el otro lado del campo de espejos.
53.
Espejo transversal (esencialmente triangular, salvo el remate del pico cercano al receptor) que cierra por un extremo un colector lineal Fresnel (que es el septentrional, en los montajes Norte-Sur en el hemisferio norte).
54.
Espejo transversal de cierre por un extremo en un colector cilindro-parabólico.
55.
Módulos de espejo en los que se subdivide un espejo transversal de cierre, como el 53.
56.
Ejes verticales de giro de los módulos de espejo 55.
57.
Recta normal al espejo transversal inclinado 53 ó 54.
58.
Mástil principal de soporte del espejo de cierre y de su bastidor.
59.
Larguero vertical interior del bastidor de soporte del espejo.
60.
Bisagras de giro del bastidor respecto del mástil.
61.
Travesero superior del bastidor.
62.
Eje de giro para la inclinación del espejo.
63.
Larguero exterior de dicho bastidor de soporte del espejo.
64.
Larguero transversal de sujeción diagonal del espejo (o sus módulos).
65.
Largueros interiores, en coincidencia con los ejes de los módulos de espejo, si el espejo es de varias piezas.
66.
Travesero inferior del bastidor, que apoya en la rueda de giro 69.
67.
Pavimento bajo el espejo (de rodadura de la rueda 69).
68.
Tornillo sinfín o elemento parejo de accionamiento de la rueda de giro 69.
69.
Rueda en la que descansa el espejo y su bastidor por el lado exterior.
70.
Rueda interior de inclinación del espejo.
71.
Rueda exterior de inclinación del espejo.
72.
Bandas de rodadura para las ruedas de inclinación del espejo.
73.
Travesaños intermedios del bastidor, para separar las franjas de espejos de distinta altura.
74.
Bujes de separación de los ejes de las diversas franjas horizontales de módulos de espejo.
75.
Módulo de espejo superior, o módulo del vértice.
76.
Plano medio longitudinal.
77.
Punto más bajo en el dominio de puntos de reflexión que presentan las franjas longitudinales en su giro de enfoque de la radiación solar al receptor.
78.
Punto más alejado del plano medio longitudinal, del extremo exterior de la franja más exterior del reflector, según gira dicha franja para enfocar la radiación solar sobre el receptor.
79.
Línea parabólica continua, que es la sección recta de un reflector cilíndrico parabólico, y es a su vez la línea de la base del espejo de cierre.
80.
Punto más exterior en la línea parabólica 79.
81.
Ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal (ver figura 13).
82.
Proyección sobre el plano vertical-longitudinal de la trayectoria reflejada por el espejo 24, por incidencia de la proyección 22.
83.
Proyección sobre el plano horizontal de la trayectoria reflejada por el espejo 24, por incidencia de la proyección
23.
Así mismo es preciso señalar que varios de los números identificados anteriormente, se aplican con el mismo significado a casos o situaciones distintas, las cuales se identifican por las siguientes etiquetas:
-
La letra r detrás de un número indica que hace referencia a un rayo reflejado desde un punto más interior del campo de espejos, respecto de la banda de espejos tomada anteriormente como referencia (18) y a la misma altura que dicha banda.
-
La letra v detrás de un número (o número seguido de r) indica que es la proyección de la traza o el punto original, abatido sobre el plano vertical lateral (los vectores 22 y 22r no llevan la v, pues están intrínsecamente definidos sobre dicho plano).
-
La letra h detrás de un número (o número seguido de r) indica que es la proyección de la traza o el punto original, abatido sobre el plano horizontal (los vectores 23 y 23r no llevan la h, pues están intrínsecamente definidos sobre dicho plano.
-
La letra i precediendo a un número indica que se usa un espejo con inclinación vertical.
-
La letra g precediendo a un número, a su vez precedido de i, indica que se usa un espejo con ambos giros, vertical o de inclinación, y transversal o de apertura. (No se ha empleado la g sola, pues es un caso particular del estudiado con los dos giros, una vez demostrado que es mejor, en general, utilizar los dos grados de libertad).
-
Por último, la letra s al final de un identificador, como el i27hs, indica la proyección horizontal del rayo correspondiente cuando llega a la altura del receptor (17) pero no propiamente a la línea del receptor.
Aunque el eje longitudinal de los espejos colectores puede estar ligeramente inclinado, en lo que sigue, y a efectos ilustrativos de montaje, se considerará horizontal y, por tanto, el espejo perpendicular a dicho eje, que es el objeto de esta invención, se orientará según la vertical; pero el montaje se extiende directamente a colectores inclinados.
La invención parte de disponer de un colector lineal, del que se ha de conocer así mismo la ubicación (Norte o Sur) y la orientación, según el meridiano o según el paralelo, siendo esencial la geometría del colector. Por relevancia de la superficie involucrada, varias de las figuras que ilustran la descripción, se refieren a un montaje Fresnel, compuesto de franjas reflectoras longitudinales, con un espejo de cierre en el extremo que corresponda.
El material del espejo en general será el mismo que el del campo de espejos, y los largueros del bastidor pueden hacerse de acero de construcción, o de material plástico endurecido con resina. Es de notar que no están sometidos a condiciones extremas en ninguna variable física, aunque la parte alta del espejo recibirá, en los momento en los que el sol esté no muy alto, una carga de radiación importante, pero que en punto alguno va a suponer la fusión de algún material, aunque sí puede haber pérdida de reflectividad y, en los espejos de plata, deterioro en la interfaz interna vidrio-plata.
El espejo se puede dividir en módulos de más fácil manejo, que sean además orientables, no sólo por lo dicho respecto de las trayectorias de los rayos reflejados según la inclinación y apertura del espejo (o espejos) que es una cuestión óptica esencial, sino para poder reducir la carga dinámica del viento contra la estructura. Para ello, cada módulo ha de tener un eje vertical de giro, que se ubica en su parte trasera, que puede a su vez servir de larguero central de sujeción del módulo, estando a su vez el eje encastrado en las fogonaduras pertinentes del travesero inferior del bastidor, y del travesero superior. Este a su vez puede ser el larguero en diagonal que se dispone a lo largo de la hipotenusa; aunque otra alternativa es hacer el bastidor rectangular, y que los ejes vayan de arriba debajo de dicho bastidor.
Cuestión esencial es decidir, en la aplicación de la invención, si el espejo va a estar fijo (y en ese caso, decidir que inclinación y que apertura se le dan) o si va a ser móvil, en el sentido de tener uno o dos grados de libertad para inclinarle hacia arriba o hacia abajo, o abrirle o cerrarle, según la inclinación que tenga la luz solar, y la distribución de la intensidad de la radiación sobre la superficie activa del receptor.
Las figuras 12 a 15 son esenciales en este contexto, pues en ellas queda reflejado el conjunto de entes de óptica geométrica que son la base de la invención. Nótese que las trazas de rayos reflejados por el espejo de cierre (24v) en el grafo superior cortan a la recta del receptor (17) en puntos (27v y 27rv) que coinciden con puntos en la proyección horizontal del grafo inferior, (27h y 27rh, respectivamente) que también están en la recta (17h) que proyección horizontal de la 17. Eso significa que los rayos en cuestión (20 y 20r; véase figura 7) llegan al propio receptor una vez reflejados por un espejo plano vertical transversal, tal como lo mostraba también la figura 7. Ahora bien, para ver los efectos de la inclinación y giro de apertura del espejo de cierre, son más útiles las figuras con proyecciones, que proporcionan información de cómo se distribuyen los rayos cuando impactan en un plano horizontal virtual, a la altura del receptor, y conteniendo a éste.
La figura 13 muestra el efecto de un espejo transversal inclinado verticalmente hacia abajo, lo cual hace que el rayo llegue a la altura del receptor en la marca i27v, más alejada respecto de la posición del espejo que la marca 27v correspondiente a una reflexión con espejo vertical (figura 12), pero volviendo a la figura 13 se aprecia en su grafo inferior, que el rayo reflejado por el espejo inclinado sufre una desviación lateral, en relación con la proyección vertical, y alcanza la traza 17h en el punto i27h, mucho más cerca del espejo que la marca i27v. Más aún, la proyección horizontal del rayo correspondiente a esta marca es la i27hs, que queda al otro lado de la recta 17h; lo que significa que el enfoque no es perfecto: se logra extender longitudinalmente la superficie en la cual se distribuye esta radiación doblemente reflejada, pero se extiende también transversalmente.
La figura 13 sirve además para fijar el límite de la inclinación del espejo de cierre, relacionado con la incidencia extrema, por el lado bajo, de la radiación solar, lo cual se caracteriza por el ángulo 81. La traza 82 marca la proyección del rayo reflejado por el espejo 24, y por trigonometría elemental de la reflexión, puede verse que cuando el espejo 24 está inclinado un ángulo que es la mitad del ángulo 81, la traza 82 sería horizontal, y por tanto nunca impactaría con el receptor. Ese se toma como ángulo límite de inclinación.
Para limitar el giro de apertura no existe una referencia única, como en el caso anterior, que se contaba con el ángulo mínimo en la proyección vertical-longitudinal de la radiación incidente sobre el plano horizontal, pues la anchura del reflector concentrador es mucho mayor que la del receptor, y los rayos pueden llegar, en un mismo momento, con componente transversal muy variada. No obstante, el receptor ofrece dos distancias, su longitud y su anchura, que sí pueden servir de referencia a tal fin, para evitar que un giro excesivo, de apertura, disperse la radiación doblemente reflejada, en el concentrador y en el espejo de cierre, optando por acotar ese giro al arco cuya tangente sea 5 veces el cociente entre la anchura y la longitud del receptor (para lo cual sirve de orientación la figura 15).
Hay que hacer constar dos hechos fundamentales en la Física real de la aplicación de esta invención:
-
La luz solar no está perfectamente colimada, que es lo supuesto en esta figuras, donde se representa por un rayo; sino que la radiación solar nos llega a la Tierra procedente de un astro de diámetro angular de 9 milirradianes (medio grado sexagesimal, aproximadamente) por lo que tiene esa apertura natural, a la que se suman los efectos de cualquier otra interacción, en particular la primera reflexión, de la que la radiación emerge con una apertura de entre 15 y 25 milirradianes. Eso hace que de modo natural el enfoque no se haga en una línea (la 17) sino que el receptor tenga una anchura transversal que aproximadamente es la distancia entre las rectas paralelas 17 y 18, multiplicada por 20 milirradianes.
-
El segundo hecho importante es precisamente el señalado: tanto si el receptor es multi-tubo, como si tiene un reflector secundario y un solo tubo, se extiende en una franja de anchura considerable, y por tanto una desviación lateral como la mostrada por la marca i27hs no es deletérea a efectos de captar la radiación.
Estas propiedades óptico-geométricas se aprovechan en la invención para evitar que la doble reflexión produzca una intensidad de radiación en el extremos del receptor, donde está el espejo, que implique puntos tan calientes que redunden negativamente en la integridad de los materiales de esas zonas. Téngase en cuenta que según quedó mostrado en las figuras 6 y 7, los lugares geométricos de impacto sobre el espejo vertical de los rayos reflejados desde una banda longitudinal del campo de espejos, son rectas que van desde el punto de corte del espejo (24) con el receptor (17) hasta el punto de corte del espejo (24) con la línea de la banda (18); lo cual significa que en las proximidades del vértice superior del espejo, se produce una acumulación importante de radiación solar.
La razón física de todas estas propiedades está en el patrón de concentración que se sigue en los concentradores lineales, que está expuesto en la figura 3. El rayo reflejado (20) se concentra sobre el receptor a través de la traza 21, que es su proyección en el plano transversal. La componente longitudinal de la luz no se concentra, y ésta está representada por el segmento marcado en la línea 18, en el paralelepípedo que se forma entre los puntos de inicio del rayo (punto 19) y de llegada (26; suponiendo que no se interpone ningún obstáculo). El coseno director de la componente longitudinal es el cociente entre la longitud del segmento marcado en 18 (o longitud del lado del paralelepípedo) y la longitud del rayo 20, desde 19 a 26. Por ende, el seno de ese ángulo director de la componente longitudinal es la longitud de la traza 21, partida por la longitud del rayo 20; y a su vez la tangente de dicho ángulo director es el cociente entre las longitudes de la traza 21 y del segmento de la línea 18 que es la longitud del paralelepípedo.
Cuando el sol se eleva, su componente longitudinal se reduce; y si llega al zenit local (que en general no llega) no habría paralelepípedo, sino solo la cara donde está la traza 21, que coincidiría con el rayo 20.
Como lo anterior es válido para cualquier banda longitudinal de espejos del campo, se produce una acumulación de radiación cerca del vértice superior del espejo, en su entronque con el receptor, según se ha indicado; por lo cual una alternativa de montaje del espejo de cierre es hacerlo modular, incluyendo distintas franjas en sentido horizontal, para dar a los espejos de arriba distinto tratamiento que a los de abajo. Esto complica la construcción y el control, pero da más grados de libertad para optimizar la distribución de la densidad de radiación sobre el extremo del receptor, según se muestra en la figura 17.
Precisamente esta figura y la anterior ilustran el modo preferente de materialización de la invención para un reflector Fresnel, mostrando sólo el espejo de cierre correspondiente a uno de los lados respecto del plano medio longitudinal. Se trata pues de un concentrador de franjas longitudinales y receptor en altura, y el espejo de cierre se compone de dos semi-espejos, uno a cada lado del plano medio longitudinal, y cada semi-espejo se fija en un bastidor con un larguero vertical (59) que va unido por bisagras (60) al mástil principal (58) de soporte del espejo; estando el bastidor completado por los traveseros horizontales superior (61) e inferior (66), más un larguero exterior (63) en el que apoya el eje de giro (62) que permite dar mayor o menos inclinación al conjunto del bastidor con su semi-espejo, para lo cual el sistema de sujeción del espejo incorpora un tren de dos ruedas (70, 71) que giran alrededor del travesero inferior
(66) y deslizan sobre una superficie con curvatura (72) que se asienta en la placa base (67) por la que rueda además la rueda (69) de soporte del semi-espejo y su bastidor, que hace girar el conjunto alrededor de las bisagras (60) variando así el ángulo de apertura o cierre transversal del bastidor con su semi-espejo.
A su vez el bastidor se completa con travesaños intermedios (73) y largueros interiores (65) para asentar los módulos de espejo (55), separando los ejes (56) de una misma vertical mediante bujes (74).
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1 –Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, caracterizado por que en el extremo de un reflector longitudinal concentrador (5, 12) de la radiación solar, se monta un espejo plano (37) perpendicular al eje longitudinal del colector, que constituye el espejo de cierre por dicho extremo, siendo dicho espejo de cierre en forma y tamaño coincidente en su base con la línea continua (79) de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha línea es continua; y siendo coincidente la base de dicho espejo de cierre, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, con la línea horizontal que pasa por el punto más bajo (77) que alcanza cualquier extremo de dichas franjas en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor (1); extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor (2), por ese lado, con el punto más exterior (80) de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha sección recta es continua; y extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor (2), por ese lado, con el punto más alejado (78) respecto del plano medio longitudinal, al que llega el extremo exterior de la franja más exterior del reflector, en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor(1).
    2 – Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación primera, caracterizado por que el espejo plano perpendicular (37) ubicado en el extremo se subdivide en un conjunto de espejos planos y verticales, que son giratorios alrededor de un eje vertical central al cual están solidariamente unidos, pudiendo además subdividirse cada franja vertical en módulos (55) de espejo, según la altura.
    3 – Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el espejo plano (24) del extremo se dispone con inclinación del espejo en sentido vertical y con cierto giro en sentido transversal.
    4 -Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación tercera, caracterizado por que la selección de base de la invención es que la inclinación vertical sea mirando el espejo hacia abajo con un giro seleccionado entre 0 grados sexagesimales y la mitad del valor del ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal; y el giro lateral sea mirando el espejo hacia afuera, con un ángulo de giro entre 0 grados sexagesimales y el arco cuya tangente sea 5 veces el cociente entre la anchura y la longitud del receptor.
    5 -Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en los montajes según el paralelo, con eje longitudinal del colector en sentido Este-Oeste, para evitar sombras de los espejos de cierre por los extremos, cada uno de estos espejos se compone de un conjunto de espejos modulares verticales y giratorios a voluntad alrededor de los ejes verticales correspondientes, para lo cual van previstos de un motor, y durante las horas anteriores al mediodía, cada módulo de espejo del extremo oriental se gira manteniendo la cara del espejo contenida en el plano virtual que forman el eje de giro del espejo y la posición del sol en ese momento; y durante las horas posteriores al mediodía, las mismas prescripciones se aplican al conjunto de módulos de espejo del extremo occidental.
    6 -Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en un concentrador de franjas longitudinales y receptor en altura, el espejo de cierre se compone de dos semi-espejos, uno a cada lado del plano medio longitudinal, y cada semi-espejo se fija en un bastidor con un larguero vertical (59) que va unido por bisagras (60) al mástil principal
    (58)
    de soporte del espejo; estando el bastidor completado por los traveseros horizontales superior (61) e inferior (66), más un larguero exterior (63) en el que apoya el eje de giro (62) que permite dar mayor o menos inclinación al conjunto del bastidor con su semi-espejo, para lo cual el sistema de sujeción del espejo incorpora un tren de dos ruedas (70, 71) que giran alrededor del travesero inferior (66) y deslizan sobre una superficie con curvatura (72) que se asienta en la placa base (67) por la que rueda además la rueda (69) de soporte del semi-espejo y su bastidor, que hace girar el conjunto alrededor de las bisagras (60) variando así el ángulo de apertura o cierre transversal del bastidor con su semiespejo
    7 -Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación 6, caracterizado por que el bastidor se completa con travesaños intermedios (73) y largueros interiores
    (65)
    para asentar los módulos de espejo (55), separando los ejes (56) de una misma vertical mediante bujes (74).
    Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201430106
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 29.01.2014
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    FR 2396245 A1 (LACAZE JEAN CLAUDE) 26.01.1979, todo el documento. 1
    Y
    5
    X
    US 2009000613 A1 (EDWARDS OLIVER J et al.) 01.01.2009, párrafos [0076]-[0082]; figuras 5,6A-6C. 1
    Y
    2
    Y
    US 4546757 A (JAKAHI DOUGLAS Y) 15.10.1985, columna 6, líneas 44-66; columna 9, líneas 16-49; figuras 8,27,28. 5
    A
    2,6,7
    Y
    WO 2010109508 A2 (TURBODEN SRL et al.) 30.09.2010, página 6, línea 7 – página 8, línea 17; figuras 3a-7b. 2
    A
    3,4
    A
    FR 2982349 A1 (FILLON GWENAEL JOCELYN DANIEL) 10.05.2013, todo el documento. 1
    A
    US 2013298897 A1 (KAWANE SHINICHIROU et al.) 14.11.2013, párrafos [0041]-[0065]; figura 1. 1
    A
    US 4597377 A (MELAMED ALAN M) 01.07.1986, columna 3, línea 25 – columna 4, línea 27; figura 1. 1,5
    A
    ES 2117955 A1 (DEUTSCHE FORSCH LUFT RAUMFAHRT) 16.08.1998, todo el documento. 1
    A
    ES 2427020 A1 (INICIATIVAS ENERGETICAS DEL SUR SL) 28.10.2013, página 4, líneas 7-22; página 5, líneas 1-5,13-16; figuras 1,6,8. 1
    A
    US 2009000653 A1 (EDWARDS OLIVER J et al.) 01.01.2009, todo el documento. 1,3
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 07.03.2014
    Examinador D. Hermida Cibeira Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201430106
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD F24J2/18 (2006.01)
    F24J2/14 (2006.01) F24J2/16 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    F24J
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201430106
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 07.03.2014
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 3,4,6,7 1,2,5 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201430106
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    FR 2396245 A1 (LACAZE JEAN CLAUDE) 26.01.1979
    D02
    US 2009000613 A1 (EDWARDS OLIVER J et al.) 01.01.2009
    D03
    US 4546757 A (JAKAHI DOUGLAS Y) 15.10.1985
    D04
    WO 2010109508 A2 (TURBODEN SRL et al.) 30.09.2010
    D05
    FR 2982349 A1 (FILLON GWENAEL JOCELYN DANIEL) 10.05.2013
    D06
    US 2013298897 A1 (KAWANE SHINICHIROU et al.) 14.11.2013
    D07
    US 4597377 A (MELAMED ALAN M) 01.07.1986
    D08
    ES 2117955 A1 (DEUTSCHE FORSCH LUFT RAUMFAHRT) 16.08.1998
    D09
    ES 2427020 A1 (INICIATIVAS ENERGETICAS DEL SUR SL) 28.10.2013
    D10
    US 2009000653 A1 (EDWARDS OLIVER J et al.) 01.01.2009
  2. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La presente invención se refiere a un sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar. Se considera que el documento D01 es el más cercano al objeto de la reivindicación independiente 1. En dicho documento, al cual pertenecen las referencias numéricas que siguen, se divulga (figura única) un sistema de espejos transversales (7) en los extremos de un concentrador longitudinal (2) de la radiación solar orientado en la dirección Este-Oeste. Dichos espejos transversales (7) son planos y perpendiculares al eje longitudinal del colector (3, 4). La forma de dichos espejos transversales (7) es coincidente en su base con la línea continua de la sección recta del concentrador longitudinal (2) y se extiende por cada lado hasta la línea recta que une el punto más exterior de la sección recta del concentrador longitudinal
    (2)
    con un punto situado en la periferia del colector (3, 4) que no es el más exterior. Se observa que, en la invención del documento D01, la forma de los espejos transversales (7) no se extiende por cada lado hasta la línea recta que une el punto más exterior de la sección recta del concentrador longitudinal (2) con el punto más exterior del colector (3, 4). Se trata de una diferencia con el objeto de la reivindicación independiente 1. Debido a esta diferencia encontrada, se considera que la reivindicación independiente 1 y sus reivindicaciones dependientes 2-7 son nuevas (Art. 6, LP 11/1986). En relación con la actividad inventiva de la reivindicación independiente 1, se considera que a un experto en la materia que partiese del documento D01 le resultaría evidente, como alternativa de diseño, hacer que la forma de los espejos transversales (7) se extienda hasta la línea recta que une el punto más exterior de la sección recta del concentrador longitudinal (2) con el punto más exterior del colector (3, 4). Por tanto, se estima que la reivindicación independiente 1 no implica actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986). En cuanto a la actividad inventiva de la reivindicación dependiente 2, se considera que un experto en la materia combinaría de forma evidente los documentos D02 y D04 para reproducir su objeto. En dicho documento D02, al cual pertenecen las referencias alfanuméricas que siguen, se divulga (párrafos [0076]-[0082]; figuras 4-6C) un espejo transversal (68) en el extremo norte de un concentrador longitudinal (10) de la radiación solar de tipo Fresnel. La base de dicho espejo transversal
    (68)
    coincide con una línea horizontal situada en las proximidades del punto más bajo que alcanzan las franjas longitudinales (12) del concentrador (10) (figuras 4, 5). Además, dicho espejo transversal (68) se extiende lateralmente, por cada lado, hasta la línea recta que une un punto próximo al punto más exterior del receptor (14) con otro punto próximo al punto más alejado respecto del plano medio longitudinal al que llega el extremo exterior de la franja (12) más exterior del concentrador (10) en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor (14) (figuras 4, 5). Por otra parte, en el citado documento D04, al cual pertenecen las referencias alfanuméricas que siguen, se divulga (página 6, línea 7 -página 8, línea 18; figuras 3a, 3b, 6b, 6c) un espejo transversal (18) en un extremo de un concentrador longitudinal (11) de la radiación solar. Dicho espejo transversal (18) puede subdividirse en un conjunto de espejos planos y verticales (18c), giratorios alrededor de un eje vertical central (20) (figura 6c). Según todo lo que se acaba de exponer en este párrafo, se estima que la reivindicación dependiente 2 no implica actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986). En relación con la actividad inventiva de la reivindicación dependiente 3, se considera que a un experto en la materia que partiese de la combinación de los documentos D02 y D04 no le resultaría evidente desarrollar el objeto de dicha reivindicación y tampoco se han encontrado otros documentos del estado de la técnica que pudiesen combinarse de forma evidente con los documentos D02 y D04 a tal fin. En el documento D04, al cual pertenecen las referencias alfanuméricas que siguen, se divulga (página 6, línea 7 -página 8, línea 18; figuras 3a, 3b, 6b, 6c) un espejo transversal (18) en un extremo de un concentrador longitudinal (11) de la radiación solar que puede inclinarse en sentido vertical hacia abajo (figura 3b), pero no se han encontrado ejemplos del estado de la técnica en los que un espejo transversal extremo esté orientado con cierto giro en sentido transversal. Según todo lo que se acaba de exponer en este párrafo, se estima que la reivindicación dependiente 3 y su reivindicación dependiente 4 sí implican actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201430106
    En cuanto a la actividad inventiva de la reivindicación dependiente 5, se considera que a un experto en la materia le resultaría evidente combinar los documentos D01 y D03 para desarrollar el objeto de dicha reivindicación con el fin de disminuir pérdidas en la captación de la radiación solar. En dicho documento D03, al cual pertenecen las referencias numéricas que siguen, se divulga (columna 9, líneas 22-33; figura 8) un sistema de espejos transversales (43D, 44D) en los extremos de un concentrador longitudinal (32) de la radiación solar orientado en la dirección Este-Oeste. Para evitar sombras, cada uno de los espejos transversales (43D, 44D) se compone de un conjunto de espejos modulares (57) giratorios movidos mediante un actuador (58). Durante las horas anteriores al mediodía, cada módulo del espejo transversal oriental (44D) se gira para dejar pasar la radiación solar y, durante las horas posteriores al mediodía, es el espejo transversal occidental (43D) el que lo hace (columna 6, líneas 60-66). Los citados espejos modulares (57) no son verticales como en el objeto de la reivindicación dependiente 5, pero se considera que al experto en la materia le resultaría evidente disponer dichos espejos modulares (57) de forma vertical, como alternativa de diseño. Según todo lo que se acaba de exponer en este párrafo, se estima que la reivindicación dependiente 5 no implica actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986). En relación con la actividad inventiva de la reivindicación dependiente 6, se considera que a un experto en la materia que partiese de la combinación de los documentos D02 y D04 no le resultaría evidente desarrollar el objeto de dicha reivindicación y tampoco se han encontrado otros documentos del estado de la técnica que pudiesen combinarse de forma evidente con los documentos D02 y D04 a tal fin. Por tanto, se estima que la reivindicación dependiente 6 y su reivindicación dependiente 7 sí implican actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986). Los documentos D05-D10 reflejan el estado de la técnica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 5/5
ES201430106A 2014-01-29 2014-01-29 Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar Active ES2449167B2 (es)

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