ES2479341B1 - Dispositivo de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, fotobiorreactor que incorpora dicho dispositivo, y método para montar el dispositivo en un fotobiorreactor - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, fotobiorreactor que incorpora dicho dispositivo, y método para montar el dispositivo en un fotobiorreactor.#Permite aprovechar mejor la radiación solar en fotobiorreactores tubulares horizontales, dotados de al menos un tubo de cultivo (10) configurado para albergar un cultivo de microalgas. El dispositivo (1) comprende: a) una superficie reflectante, configurada para reflejar la radiación solar sobre cada tubo de cultivo (10), donde la superficie reflectante comprende al menos un par de cuerpos reflectantes (3) con forma de arco cilíndrico de base circular, unidos por una de sus generatrices, denominada generatriz de unión (G); y b) un soporte (20) para soportar la superficie reflectante. De manera opcional, la superficie reflectante comprende adicionalmente porciones reflectantes (3), de forma cilindro-parabólica, ubicadas en los extremos libres de los cuerpos reflectantes (3).

Description



DESCRIPCIÓN
Dispositivo de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, fotobiorreactor que incorpora dicho dispositivo, y método para montar el dispositivo en un fotobiorreactor
5
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico del aprovechamiento de la energía solar, en concreto, dentro del campo de los fotobiorreactores.
10
De manera más específica, el objeto de la invención se refiere a un dispositivo de amplificación de la radiación solar lumínica especialmente indicado para fotobiorreactores, así como un fotobiorreactor que incorpora dicho dispositivo, y un método para montar el dispositivo en un fotobiorreactor.
La invención permite maximizar la radiación lumínica incidente sobre los tubos de cultivo del 15 fotobiorreactor, aumentando la disponibilidad de luz en el interior de dichos tubos de cultivo, y de este modo favorecer la reacción fotosintética, incrementando así la tasa de crecimiento de las microalgas y mejorando la productividad.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 20
Los fotobiorreactores son sistemas cerrados o semicerrados donde se realiza el cultivo de microalgas de una forma controlada y ajena a la atmósfera circundante.
Hay cuatro aspectos esenciales a tener en cuenta en el diseño de un fotobiorreactor, que son: el 25 aporte efectivo y eficiente de luz al medio de cultivo; la dosificación de CO2 y del resto de nutrientes; la extracción del oxígeno generado en la fotosíntesis; y el escalado de la tecnología.
La disponibilidad de nutrientes y CO2, la temperatura y la dinámica de fluidos son variables que pueden ser controladas de forma relativamente sencilla. Sin embargo, incluso en condiciones 30 óptimas de estos factores, la disponibilidad de luz es la que determina el grado de fotosíntesis que se produce a nivel celular y, por tanto, la tasa de crecimiento algal. Esto invita a pensar en sistemas de cultivo que dispongan de una elevada superficie de iluminación o en incorporar tecnologías de intensificación de la radiación luminosa.
35
En la actualidad, se reconoce que la eficiencia de los fotobiorreactores viene determinada por la capacidad de transporte de la radiación solar al medio de cultivo. Es por ello que se investiga en el desarrollo de sistemas de cultivo con elevada superficie de iluminación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 40
La presente invención describe, de acuerdo con un primer aspecto, un dispositivo de amplificación de la radiación solar especialmente destinado a su uso en fotobiorreactores, aunque podría también tener uso en otras aplicaciones, como por ejemplo en aplicaciones termosolares.
45
Los fotobiorreactores son del tipo tubular, es decir, de los que comprenden al menos un tubo de cultivo cuyo interior está adaptado para albergar un cultivo de microalgas. Los tubos de cultivo comprenden sendos ejes longitudinales destinados a estar ubicados, en uso, en posición horizontal. El objeto de la invención es un dispositivo acoplable al fotobiorreactor para amplificar la radiación
lumínica recibida por los tubos de cultivo desde el exterior.
Para ello, el dispositivo se caracteriza porque comprende los siguientes elementos:
- una superficie reflectante, configurada para reflejar la radiación solar sobre cada tubo de cultivo, donde la superficie reflectante comprende al menos un par de cuerpos reflectantes con 5 forma de arco cilíndrico (de base circular), unidos por una de sus generatrices, denominada generatriz de unión; y
- un soporte para soportar la superficie reflectante.
Puesto que los cuerpos reflectantes no son cilindros completos, sino arcos de cilindro, se define 10 como ángulo θ el ángulo de la circunferencia abarcado por el arco de cada cuerpo reflectante.
Los cuerpos reflectantes presentan cada uno un eje central, que se corresponde con el eje del cilindro que define. De manera preferente, los ejes centrales de los dos cuerpos de cada par de cuerpos reflectantes son paralelos y de manera aún más preferente, son también paralelos a los ejes longitudinales de los tubos de cultivo. 15
De manera aún más preferente, la superficie reflectante es simétrica respecto de un plano de simetría que contiene la generatriz de unión. De manera aún más preferente, el dispositivo está configurado para que dicho plano de simetría esté orientado, cuando el dispositivo está en uso, formando un ángulo σ con la horizontal que es igual a la latitud del lugar de emplazamiento del 20 dispositivo. La consecuencia ventajosa de dicha disposición preferente es la de permitir recoger la mayor cantidad de radiación posible si no existe un dispositivo de seguimiento anejo.
Una superficie reflectante exclusivamente compuesta por dos cuerpos cilíndrico-circulares (o por una concatenación de pares de dichos cuerpos reflectantes) configurados tal como se ha definido 25 anteriormente ha resultado ser de elevada eficiencia para amplificar la radiación sobre los tubos de cultivo. Sin embargo, con carácter general, la invención contempla que la superficie reflectante comprende adicionalmente porciones reflectantes cilindro-parabólicas ubicadas en los extremos de los cuerpos reflectantes.
30
Para cualquiera de las realizaciones preferentes anteriormente mencionadas, resulta aún más preferente que los cilindros definidos por las porciones cilindro-parabólicas sean paralelos a los cuerpos reflectantes.
Un valor preferente para el ángulo θ es igual a π - 2* α, donde α es la máxima inclinación solar anual 35 para la latitud considerada, que vale α = 23.45º. La consecuencia de esta configuración es que las porciones reflectantes cilindro-parabólicas son tangentes a los cuerpos reflectantes.
Mediante el empleo de un dispositivo como el que se acaba de describir, se logra amplificar la luminosidad recibida por cada tubo de cultivo del fotobiorreactor, ya que dichos tubos de cultivo, que 40 estarían situados con su eje longitudinal en posición horizontal, reciben radiación solar directa a través de parte de su superficie exterior, así como reciben, en la parte de su superficie exterior no iluminada directamente por los rayos solares, la reflexión de dichos rayos solares producida por el dispositivo de la invención.
45
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se describe un fotobiorreactor tubular horizontal que comprende:
- al menos un tubo de cultivo, dotado de un eje longitudinal, así como de un diámetro que está preferentemente comprendido entre 30 y 100 mm, y que está dispuesto, en condiciones de
uso, con el eje longitudinal en orientación horizontal, y
- el dispositivo anteriormente descrito, donde el soporte está configurado para soportar la superficie reflectante en una posición predefinida respecto del tubo de cultivo.
De manera preferente, el fotobiorreactor está configurado para que el eje longitudinal de los tubos 5 de cultivo esté comprendido en el plano de simetría del dispositivo.
Asimismo, se prefiere que cada generatriz de unión de los cuerpos reflectantes esté en contacto con la parte inferior de su tubo de cultivo correspondiente.
10
Una de las ventajas del dispositivo descrito es que puede ser aplicado a fotobiorreactores ya existentes con el objetivo de incrementar su productividad. Por ello, de acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se describe un método para montar el dispositivo descrito en un fotobiorreactor tubular horizontal que comprende al menos un tubo de cultivo dispuesto, en condiciones de uso, horizontalmente, donde el método comprende los siguientes pasos: 15
- disponer el soporte, por ejemplo, fijando dicho soporte al suelo o al fotobiorreactor, y
- fijar la superficie reflectante al soporte.
La presente invención, en cualquiera de sus tres aspectos descritos, permite mejorar la productividad y, por lo tanto, la cantidad de biomasa algal producida y, además, aumentar el número 20 de localizaciones geográficas en las que es viable la instalación de fotobiorreactores tubulares de tipo horizontal, ya que al incrementarse la radiación incidente sobre los tubos de cultivo, los fotobiorreactores podrían llevarse a latitudes en las que antes no era viable su ubicación debido a la falta de productividad.
25
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego 30 de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática de una primera realización de un fotobiorreactor tubular horizontal de acuerdo con el segundo aspecto de la invención.
35
Figura 2.- Muestra una vista esquemática de una primera realización preferente en la que la superficie reflectante solo comprende un par de tramos cilíndrico-circulares.
Figura 3.- Muestra una vista esquemática de una segunda realización preferente en la que la superficie reflectante comprende adicionalmente porciones reflectantes cilíndrico-parabólicas. 40
Figuras 4 y 5.- Muestran esquemáticamente criterios seguidos para definir las dimensiones óptimas del dispositivo.
Figura 6.- Muestra una vista esquemática de una segunda realización de un fotobiorreactor tubular 45 horizontal de acuerdo con el segundo aspecto de la invención.
Figuras 7 y 8.- Muestran dos variantes de la segunda realización ilustrada en la figura 6.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se describe, con ayuda de las figuras 1 a 8 anteriormente referidas, una descripción en detalle de una realización preferente de la invención.
5
El fotobiorreactor mostrado en la figura 1 es un fotobiorreactor tubular horizontal que comprende al menos un tubo de cultivo (10) dotado de un eje longitudinal (11), donde el tubo de cultivo (10) está configurado para albergar un cultivo de algas.
El fotobiorreactor comprende adicionalmente un dispositivo (1) de amplificación de la radiación 10 solar, que comprende una superficie reflectante, configurada para reflejar la radiación solar sobre cada tubo de cultivo (10), donde la superficie reflectante comprende al menos un par de cuerpos reflectantes (3) con forma de arco cilíndrico (de base circular), unidos por una generatriz de unión (G). Los cuerpos reflectantes (3) abarcan un arco de cilindro de valor θ.
15
Los cuerpos reflectantes (3) presentan cada uno un eje central (C), que se corresponde con el eje del cilindro que define. En los ejemplos representados en las figuras, los ejes centrales (C) de los cuerpos reflectantes (3) son paralelos entre sí y a los ejes longitudinales (11) de los tubos de cultivo (10). Asimismo, la superficie reflectante es simétrica respecto de un plano de simetría (2) que contiene la generatriz de unión (G) y está orientado formando un ángulo σ con la horizontal 20 que es igual a la latitud del lugar de emplazamiento del dispositivo (1). Se muestra en la figura 2 un ejemplo de un fotobiorreactor que incorpora un dispositivo (1) como el descrito, cuya superficie reflectante comprende únicamente los cuerpos reflectantes (3) cilíndrico-circulares.
El fotobiorreactor comprende adicionalmente un soporte (20) para soportar sobre el suelo la 25 superficie reflectante, de tal manera que el eje longitudinal (11) de los tubos de cultivo (10) está contenido en el plano de simetría (2), así como dicho plano de simetría (2) forma con la horizontal un ángulo σ que es igual a la latitud del emplazamiento en que está ubicado el fotobiorreactor.
De acuerdo con un segundo ejemplo, según se muestra en la figura 3, la superficie reflectante 30 incorpora adicionalmente porciones reflectantes (4) cilindro-parabólicas ubicadas en los extremos de los cuerpos reflectantes (3), donde las porciones reflectantes (4) constituyen cilindros paralelos a los cilindros definidos por los cuerpos reflectantes (3).
Una realización que ha probado ser especialmente ventajosa se define aplicando un criterio de 35 construcción definido por, entre otras, las siguientes condiciones.
- El ángulo θ es igual a π - 2*α, donde α es la declinación máxima del sol, que vale 23.45º. De esta manera, las porciones reflectantes (4) parabólicas son tangentes a los cuerpos reflectantes (3) cilíndricos en los puntos extremos A y B. 40
- El radio rb de los cuerpos reflectantes (3) es rb = (d*cos(α))/4, donde d se calcula como d = Ø / tan((π-2* α)/4), siendo Ø el diámetro de los tubos de cultivo (10).
- La generatriz de unión (G) coincide con punto más bajo del tubo de cultivo (10). 45
Para calcular la longitud óptima de las porciones reflectantes (4), se aplican condiciones adicionales:
- Un rayo r1 que incide con inclinación α sobre el punto A (o B), tras ser reflejado incide
tangencialmente sobre la superficie exterior del tubo de cultivo (10) en el punto más bajo de dicho tubo de cultivo (10). La figura 4 ilustra esta condición.
- Un rayo r2 que incide sobre el extremo libre R de la porción reflectante (4) con una inclinación α respecto del plano de simetría (2), hacia el interior, tras ser reflejado, incide sobre el tubo de cultivo 5 (10) tangencialmente en un punto T ubicado por encima del eje longitudinal (11) del tubo de cultivo (10). La figura 5 ilustra dicha condición.
En la figura 6 se muestra un ejemplo de de realización del dispositivo (1) con una superficie reflectante que comprende una pluralidad de pares de cuerpos reflectantes (3) concatenados y 10 que están localizados según la disposición anteriormente comentada respecto de una pluralidad de tubos de cultivo (10) de un fotobiorreactor, es decir, el eje longitudinal (11) de los tubos de cultivo (10) del fotobiorreactor está localizado sobre el plano de simetría (2) de cada par de cuerpos reflectantes (3), así como dicho plano de simetría (2) está inclinado con respecto de la horizontal un ángulo σ igual a la latitud. 15
De esta forma, para un cultivo de microalgas a gran escala, una disposición según lo mostrado en las Figuras 6 a 8, se pueden crear torres de varios tubos de cultivo (10) orientadas de Este a Oeste e inclinadas con el ángulo σ.
20
Preferentemente, la superficie reflectante comprende una primera fila (5) superior y una segunda fila (6) inferior de cuerpos reflectantes (3), en correspondencia con una primera fila superior y una segunda fila inferior de tubos de cultivo (10), estando los cuerpos reflectantes (3) en cada una de las filas (5, 6) dispuestos de manera adyacente, pero alternadas con respecto a las de la otra fila (5, 6), según lo representado en las Figuras 7 y 8. Aunque, según se aprecia en la figura 7, la 25 segunda fila (6) recibe menor radiación y los tubos de cultivo (10) tienen que estar más separados para evitar sombras, se consigue incrementar la producción por área de cultivo gracias a la reflexión.
En la Figura 8 se representa el caso en el que los cuerpos reflectantes (3) pertenecientes a la 30 primera fila (5) son más cortos que los de la segunda fila (6). La ventaja de esta configuración respecto de la mostrada en la figura 7 es que ninguno de las cuerpos reflectantes (3) de la primera fila (5) hace sombra sobre ninguno de los tubos de cultivo (10) de la segunda fila (6), consiguiéndose aún mayor productividad por unidad de área.
35
En los ejemplos de realización representados en las Figuras 6 a 8, la superficie reflectante puede estar realizada en una única pieza.

Claims (18)



  1. REIVINDICACIONES
    1.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, donde el fotobiorreactor comprende un tubo de cultivo (10), dotado de un eje longitudinal (11) y configurado para albergar un cultivo de microalgas, 5
    caracterizado por que comprende:
    - una superficie reflectante, configurada para reflejar la radiación solar sobre cada tubo de cultivo (10), donde la superficie reflectante comprende al menos un par de cuerpos reflectantes (3) con forma de arco cilíndrico de base circular, unidos por una de sus generatrices, denominada generatriz de unión (G); y 10
    - un soporte (20) para soportar la superficie reflectante.
  2. 2.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los cuerpos reflectantes (3) presentan cada uno un eje central (C), que se corresponde con el eje del cilindro que define, de manera que los ejes centrales 15 (C) de los dos cuerpos de cada par de cuerpos reflectantes (3) son paralelos.
  3. 3.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que son los ejes centrales (C) de los dos cuerpos de cada par de cuerpos reflectantes (3) son paralelos a los ejes longitudinales (11) de los tubos de cultivo (10). 20
  4. 4.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada par de cuerpos reflectantes (3), es simétrico respecto de un plano de simetría (2) que contiene la generatriz de unión (G).
    25
  5. 5.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que el dispositivo (1) está configurado para que dicho plano de simetría (2) esté orientado, cuando el dispositivo (1) está en uso, formando un ángulo σ con la horizontal que es igual a la latitud del lugar de emplazamiento del dispositivo (1).
    30
  6. 6.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la superficie reflectante comprende adicionalmente porciones reflectantes (4) cilindro-parabólicas ubicadas en los extremos de los cuerpos reflectantes (3).
    35
  7. 7.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que los cilindros-parabólicos definidos por las porciones reflectantes (4) cilindro-parabólicas son paralelos a los cuerpos reflectantes (3).
  8. 8.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con una 40 cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado por que los cuerpos reflectantes (3) abarcan arcos de círculo de amplitud θ igual a π - 2* α, donde α es la máxima inclinación solar anual para la latitud considerada, que vale α = 23.45º.
  9. 9.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con una 45 cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la superficie reflectante comprende una pluralidad de pares de cuerpos reflectantes (3) concatenados.
  10. 10.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la
    reivindicación 9, caracterizado por que la superficie reflectante comprende una primera fila (5) superior y una segunda fila (6) inferior de cuerpos reflectantes (3), donde los cuerpos reflectantes (3) de cada una de las filas (5, 6) están ubicados de manera adyacente, pero alternados con respecto a los de la otra fila (5, 6).
    5
  11. 11.- Dispositivo (1) de amplificación de la radiación solar para fotobiorreactores, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que los cuerpos reflectantes (3) pertenecientes a la primera fila (5) son más cortos que los de la segunda fila (6).
  12. 12.- Fotobiorreactor tubular horizontal, caracterizado por que comprende: 10
    - al menos un tubo de cultivo (10), dotado de un eje longitudinal (11), y que está ubicado, en condiciones de uso, con el eje longitudinal (11) en orientación horizontal, y
    - el dispositivo (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  13. 13.- Fotobiorreactor de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que el eje longitudinal 15 (11) de los tubos de cultivo (10) está comprendido en el plano de simetría (2) del dispositivo (1).
  14. 14.- Fotobiorreactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 y 13, caracterizado por que cada generatriz de unión (G) de los cuerpos reflectantes (3) está en contacto con la parte inferior de su tubo de cultivo (10) correspondiente. 20
  15. 15.- Fotobiorreactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado por que los cuerpos reflectantes (3) tienen un radio rb cuyo valor es igual a (d*cos(α))/4, donde d se calcula como d = Ø / tan((π-2* α)/4), siendo Ø el diámetro de los tubos de cultivo (10).
    25
  16. 16.- Fotobiorreactor de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que está configurado de tal modo que un rayo r1 que incide con inclinación α sobre el punto A de contacto entre el cuerpo reflectante (3) y la porción reflectante (4), tras ser reflejado incide tangencialmente sobre la superficie exterior del tubo de cultivo (10) en el punto más bajo de dicho tubo de cultivo (10).
    30
  17. 17.- Fotobiorreactor de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque está configurado de tal modo que un rayo r2 que incide sobre el extremo libre R de la porción reflectante (4) con una inclinación α respecto del plano de simetría (2), hacia el interior, tras ser reflejado, incide sobre el tubo de cultivo (10) tangencialmente en un punto T ubicado por encima del eje longitudinal (11) del tubo de cultivo (10). 35
  18. 18.- Método para montar el dispositivo (1), descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en un fotobiorreactor tubular horizontal que comprende al menos un tubo de cultivo (10) dispuesto, en condiciones de uso, horizontalmente, donde el método comprende los siguientes pasos:
    - disponer el soporte (20), y 40
    - fijar la superficie reflectante al soporte (20).
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