ES2573482T3

ES2573482T3 - Colector de energía solar

Info

Publication number: ES2573482T3
Application number: ES05771769.6T
Authority: ES
Inventors: Evangelos Arkas; Nicholas Arkas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2025-08-17
Also published as: GB2417551A; EP2835600A2; EP1787066A1; AU2005276274A1; EP2835600A3; AU2005276274B2; US8039732B2; EP2835600B1; PT2835600T; GB0418778D0; ES2647910T3; WO2006021752A1; GB2417551B; EP1787066B1; US20080066800A1; PT1787066E

Abstract

Un colector de energía solar (10) que comprende un medio de la cámara que define un volumen interno, el medio de la cámara (11) que tiene un medio del puerto de entrada (12) que se comunica con el volumeninterno, de manera que la energía solar (13) que entra al medio de la cámara a través del medio del puerto de entrada se absorbe y se refleja dentro del medio de la cámara hasta que sustancialmente toda la energía solar se absorbe por el medio de la cámara; caracterizado porque el medio de la cámara comprende un medio de los paneles articulados (61) para formar una pared del medio de la cámara en la que el medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas (611) se ubica para formar una superficie interna del medio de la cámara.

Description

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DESCRIPCION

Colector de energfa solar

Esta invencion se refiere a un colector de energfa solar y un metodo para captar la energfa solar.

La radiacion solar tiene una distribucion espectral, o longitudes de onda, que va desde la radiacion de longitud de onda corta, rayos gamma y X, hasta la radiacion de longitud de onda larga, ondas de radio largas. Las diferentes regiones del espectro solar pueden describirse por el intervalo de sus longitudes de onda. La radiacion combinada en la region de longitudes de onda de 280 nm a 4,000 nm se denomina radiacion solar de banda ancha, o total. Aproximadamente el 99 por ciento de la radiacion solar se contiene en la region de longitudes de onda de 300 nm a 3,000 nm. El espectro visible se extiende desde el ultravioleta, aproximadamente 390 nm, hasta cerca del infrarrojo, 780 nm, y solo hace aproximadamente el 10 por ciento del espectro solar total. Un pico en el espectro solar ocurre a 560 nm. La temperatura de color del espectro solar vana entre 3000 K y 3500 K con la latitud.

Es diffcil de utilizar todo el espectro. Por ejemplo, con colectores solares reflectores parabolicos, gran parte de la energfa solar se refleja de vuelta al espacio. Ademas, los dispositivos fotovoltaicos usados para convertir la energfa solar, tienen una sensibilidad pico en aproximadamente 830 nm y solo se convierte del 14 al 16% de la energfa acumulada. Concentrar los rayos del sol con el uso de una multiplicidad de espejos para calentar un lfquido tambien resulta en la reflexion de gran parte de la energfa de vuelta al espacio.

El documento US 2004/079358 describe un concentrador de energfa solar que comprende un cuerno en espiral que tiene un eje perpendicular a un plano de la espiral. El concentrador incluye: una abertura de entrada que forma una boca del cuerno, una superficie interna reflectante de luz del cuerno, y una abertura de salida en un extremo del cuerno distante de la boca del cuerno, dicha abertura de salida es mas pequena que dicha abertura de entrada. El cuerno se estrecha continuamente tanto en la direccion de dicho eje como en el plano de la espiral, entre las aberturas de entrada y de salida. El cuerno se adapta para concentrar, por multiples reflejos desde la superficie interna reflectante de luz del cuerno, la energfa solar incidente dentro de un intervalo predeterminado de angulos de incidencia en la abertura de entrada, de manera que la energfa solar concentrada se emite desde la abertura de salida.

Es un objetivo de la presente invencion al menos mejorar las desventajas antes mencionadas en la tecnica anterior.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se proporciona un colector de energfa solar como se reivindica en la reivindicacion 1.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para captar la energfa solar como se reivindica en la reivindicacion 23.

Modalidades adicionales de la invencion se incluyen en las reivindicaciones dependientes.

La invencion se describira ahora, a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos acompanantes, en los cuales:

La Figura 1 es un diagrama esquematico en seccion transversal de un colector de energfa solar;

La Figura 2 es una vista en perspectiva de una seccion tubular de una variante del colector de energfa solar de la Figura 1, que tiene una seccion transversal cuadrada;

La Figura 3 es una vista en perspectiva de una seccion tubular del colector de energfa solar de la Figura 1, que tiene una seccion transversal circular;

La Figura 4 es una vista en perspectiva de una seccion tubular de una variante del colector de energfa solar de la Figura 1, que tiene una seccion transversal octagonal;

La Figura 5 es una vista en perspectiva de una seccion tubular de una variante del colector de energfa solar de la Figura 1, que tiene una seccion transversal con forma de triangulo equilatero;

La Figura 6 es una vista en perspectiva de la seccion tubular de la Figura 5 y de acuerdo con una modalidad de la invencion, en la que los paneles que forman dos lados de la seccion se articulan a un tercer lado y se ilustra un panel con dispositivos fotovoltaicos o termovoltaicos;

La Figura 7 es un diagrama esquematico en seccion transversal de un segundo colector de energfa solar;

La Figura 8 es una vista en perspectiva de una seccion tubular del colector de energfa solar de la Figura 7, que tiene una seccion transversal circular;

La Figura 9 es una vista en seccion transversal de una seccion tubular del colector de energfa solar de la Figura 7; y La Figura 10 es un diagrama esquematico en seccion transversal de un tercer colector de energfa solar.

En las Figuras, numeros de referencia similares denotan partes similares.

Un primer colector de energfa solar 10, ilustrado en la Figura 1, incluye una camara en forma de serpentina cerrada 11 con un puerto de entrada 12. La camara en forma de serpentina cerrada se forma de seis porciones tubulares alargadas huecas paralelas, una primera porcion alargada 111 se une a una segunda porcion alargada adyacente 112, por una primera porcion tubular semicircular 121 en un primer extremo de la segunda porcion alargada 112 y la segunda porcion alargada 112 se une a una tercera porcion alargada 113, en un segundo extremo de la segunda porcion alargada

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opuesto al primer extremo por una segunda porcion semicircular 122. De manera similar, la tercera porcion alargada 113 se une en un primer extremo por una tercera porcion semicircular 123 a un primer extremo de una cuarta porcion alargada 114. De manera similar, la cuarta porcion alargada 114 se une en un segundo extremo opuesto al primer extremo por una cuarta porcion semicircular 124 a una quinta porcion alargada 115. De manera similar, la quinta porcion alargada 115 se une en un primer extremo por una quinta porcion semicircular 125 a un primer extremo de una sexta porcion alargada 116. La sexta porcion alargada 116 se une en un segundo extremo opuesto al primer extremo, por una porcion en forma de U 117, a un segundo extremo en la primera porcion alargada 111, para formar la camara en forma de serpentina cerrada 11.

El puerto de entrada 12 se forma por un tubo de entrada 126, de un diametro en seccion transversal mas pequeno que el de las porciones de la camara en forma de serpentina 11, ubicado aproximadamente en el centro de la primera porcion alargada 111, y tiene un eje longitudinal en un primer angulo agudo incluido a un eje longitudinal de la primera porcion alargada 111. Una porcion 127 del tubo de entrada que sobresale hacia la primera porcion alargada 111 se inclina en un segundo angulo agudo incluido a un eje longitudinal de la primera porcion alargada 111 mas pequeno que el primer angulo agudo incluido.

Aunque el colector de energfa solar se ha descrito como que tiene una camara en forma de serpentina cerrada 11, pueden usarse otras formas de camara cerrada con un puerto de entrada. Por ejemplo, la camara cerrada puede ser una espiral con un primer extremo de la espiral unido a un segundo extremo opuesto del mismo. Alternativamente, puede usarse una camara cerrada en forma de rosca anular. En una modalidad mas simple, el colector de energfa solar puede ser una caja cerrada con una abertura para admitir la energfa solar, de manera que sustancialmente toda la energfa solar admitida se absorbe dentro de la caja.

Celdas fotovoltaicas, con una sensibilidad pico de sustancialmente 830 nm, y/o celdas termovoltaicas con una sensibilidad pico de sustancialmente 950 nm pueden ubicarse en superficies internas de la camara cerrada. El enfriamiento de las superficies exteriores de la camara cerrada puede aplicarse para mantener un diferencial de temperatura optimo, a traves de las celdas fotovoltaicas y/o celdas termovoltaicas, correspondiente a un rendimiento maximo de las celdas. Una temperatura adecuada para mantener un lado de las celdas fotovoltaicas es sustancialmente 25 °C, mientras que las celdas termovoltaicas pueden operar entre 50 °C y 400 °C. Dicho enfriamiento puede llevarse a cabo, por ejemplo, mediante flujos de aire o intercambiadores de calor basados en agua.

La seccion transversal de la camara sellada puede ser, por ejemplo, un cuadrado como se muestra en la Figura 2, un cfrculo como se muestra en la Figura 3, un octagono como se muestra en la Figura 4 o un triangulo equilatero como se muestra en la Figura 5. Alternativamente, puede usarse cualquier otra seccion transversal poligonal. Como se ilustra para una seccion transversal triangular en la Figura 6, en una modalidad de acuerdo con la invencion, al menos en el caso de camaras compuestas de placas rectangulares planas, las placas planas adyacentes 61 se articulan a lo largo de sus bordes largos 62 hacia las placas adyacentes en todos los vertices excepto uno, y son acoplables en el vertice restante 63, de manera que la porcion de camara puede abrirse, por ejemplo, para inspeccion y mantenimiento. Los paneles planos tambien facilitan el uso de fotoceldas planas 611, mientras que celdas de pelfcula delgada pueden usarse con secciones transversales circulares o de otro tipo cuando la camara no incluye paneles planos. Cuando la camara tiene una seccion transversal poligonal, las porciones que se conectan pueden ser porciones angulares en lugar de porciones curvadas como se describio anteriormente.

Durante el uso, sustancialmente la energfa solar colimada 13, acumulada y orientada por cualquier metodo, entra en el puerto de entrada 12 y circula alrededor de la camara cerrada 11 por reflejos multiples 14 en las superficies internas de la camara. La inclinacion del tubo del puerto de entrada hace que los fotones de la energfa solar circulen en una unica direccion, como se muestra por las lmeas con puntas de flecha 15, alrededor de la camara con forma de serpentina, de manera que al volver a pasar el puerto de entrada sustancialmente ningun foton no absorbido sale de la camara a traves del puerto de entrada. Es decir, sustancialmente toda la energfa solar, de todas las longitudes de onda, una vez que ha entrado en el puerto de entrada permanece en la camara cerrada y se absorbe por las paredes internas o las celdas ubicadas en las paredes internas. Es decir, sustancialmente hay un flujo de fotones en una sola direccion, como se muestra por la lmea curvada con puntas de flecha 16, alrededor de la camara. Los fotones reflejados desde las paredes internas o celdas pueden perder energfa en cada reflejo o absorcion, de manera que la energfa de incluso fotones de alta energfa se absorbe con el tiempo.

Un segundo colector de energfa solar se ilustra en las Figuras 7 a 9. Como se muestra mejor en la Figura 7, el segundo colector de energfa solar es similar al primer colector de energfa solar, excepto que la camara cerrada es de doble pared para formar un recubrimiento coaxial externo. El lfquido puede hacerse circular en un espacio 72 entre la camara 75 y una pared exterior 71 de la camara, para minimizar las variaciones de temperatura y evitar la formacion de puntos calientes. Una valvula de seguridad de alivio de presion, no mostrada, puede estar en comunicacion con el lfquido circulante. El lfquido de enfriamiento puede introducirse en el espacio 72 a traves de una valvula de entrada 73 y el vapor o lfquido calentado retirarse a traves de una valvula de salida 74. Luego, la energfa termica puede retirarse del colector solar. Ademas, o alternativamente, la camara cerrada puede encerrarse en un deposito a presion para generar vapor de alta calidad. Dicho vapor de alta calidad puede usarse para impulsar uno o mas generadores electricos.

Como se muestra en la Figura 10, un colector de energfa solar adicional, que tiene una camara generalmente anular 101, con una porcion de seccion transversal alargada 102, que encierra un deposito de incineracion 60 para contener material a calentar, puede usarse para la incineracion, por ejemplo, de sustancias daninas, o para la cremacion, para evitar el uso de combustibles fosiles. Un sistema de manejo del gas, no mostrado, puede proporcionar un gas inerte 5 para usarse dentro de la camara para evitar la oxidacion del aire circulante dentro de la camara. Durante la incineracion por encima de una temperatura umbral, se formara plasma ionizado, del cual puede ser posible extraer electricidad de corriente continua. Se entendera que un deposito de incineracion puede incluirse en otras formas de la camara, siempre que sustancialmente toda la energfa solar admitida se absorba dentro de la camara.

10 La camara cerrada puede construirse de, por ejemplo, metales, aleaciones de metales, o ceramicas o una combinacion de dichos materiales. Una temperatura de funcionamiento del colector de energfa solar dependera de una aplicacion para la cual se use el colector de energfa solar. Para la incineracion a presiones altas, la camara puede formarse de titanio tungsteno con un revestimiento interno de ceramica de altas temperaturas. En el colector de energfa solar mostrado en la Figura 10, la camara anular 101 puede formarse de titanio tungsteno con un revestimiento interno de 15 ceramica de altas temperaturas y el deposito de incineracion 60 formarse de titanio tungsteno con un revestimiento externo de ceramica de altas temperaturas. El deposito de incineracion 60 se proporciona preferentemente con controles de temperatura y presion, no mostrados.

Se han construido dos ejemplos a pequena escala de los colectores de energfa solar de acuerdo con la invencion. En 20 un primer ejemplo con una camara de tubo de aluminio enfriado por aire, el tubo de aluminio se derritio. En un segundo ejemplo, en el que la camara se sumergio en agua, la temperatura del agua se elevo al punto de ebullicion.

Claims

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Reivindicaciones

1. Un colector de energfa solar (10) que comprende un medio de la camara que define un volumen interno, el medio de la camara (11) que tiene un medio del puerto de entrada (12) que se comunica con el volumen interno, de manera que la energfa solar (13) que entra al medio de la camara a traves del medio del puerto de entrada se absorbe y se refleja dentro del medio de la camara hasta que sustancialmente toda la energfa solar se absorbe por el medio de la camara;

caracterizado porque el medio de la camara comprende un medio de los paneles articulados (61) para formar una pared del medio de la camara en la que el medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas (611) se ubica para formar una superficie interna del medio de la camara.
2. Un colector de energfa solar como se reivindico en la reivindicacion 1, en donde el medio del puerto de entrada se dispone para hacer que los fotones de la energfa solar entren al medio de la camara para circular sustancialmente en una unica direccion (15,16) dentro del medio de la camara hasta que se absorben, de manera que al volver a pasar el medio del puerto de entrada sustancialmente ningun foton emerge del medio del puerto de entrada.
3. Un colector de energfa solar como se reivindico en las reivindicaciones 1 o 2, que incluye un medio del control de la temperatura para mantener un diferencial de temperatura predeterminado a traves del medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas para que sustancialmente trabajen a la eficiencia maxima de los mismos.
4. Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas un medio intercambiador de calor (72, 73, 74) para extraer la energfa termica del medio de la camara.
5. Un colector de energfa solar, como se reivindico en la reivindicacion 4, en donde el medio intercambiador de calor comprende un medio del recubrimiento ubicado alrededor de, al menos, una porcion del medio de la camara.
6. Un colector de energfa solar, como se reivindico en las reivindicaciones 4 o 5, en donde el medio de la camara se encierra en un medio del deposito a presion para la generacion de vapor de alta calidad.
7. Un colector de energfa solar como se reivindico en la reivindicacion 6, que comprende ademas un medio del generador electrico para usar el vapor de alta calidad para generar electricidad.
8. Un colector de energfa solar, como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de la camara (11) tiene forma de serpentina recirculante.
9. Un colector de energfa solar, como se reivindico en la reivindicacion 8, en donde el medio de la camara comprende una pluralidad de porciones alargadas (111-116) unidas en serie en extremos alternos a las porciones alargadas colindantes por porciones semicirculares (121-125), una primera de la pluralidad de porciones alargadas (111) se une a una ultima de las porciones alargadas en serie (116) por una porcion en forma de U (117), para formar un medio de la camara recirculante.
10. Un colector de energfa solar, como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el medio de la camara es una espiral recirculante.
11. Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio del puerto de entrada comprende un medio del tubo de entrada (126) que se comunica con el volumen interno.
12. Un colector de energfa solar como se reivindico en la reivindicacion 11, en donde un eje longitudinal del medio del tubo de entrada (126) se inclina en un angulo interno agudo a un eje longitudinal de una porcion alargada (111) del medio de la camara.
13. Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de la camara tiene una seccion transversal circular.
14. Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde el medio de la camara tiene una seccion transversal poligonal.
15. Un colector de energfa solar como se reivindico en la reivindicacion 14, en donde el medio de la camara tiene una seccion transversal cuadrada, una octagonal y una triangular.
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Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, adaptado para la incineracion de material de desecho.

Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, adaptado para la cremacion de cuerpos.

Un colector de energfa solar como se reivindico en las reivindicaciones 16 o 17, que comprende un medio del deposito de incineracion (60) ubicado dentro del medio de la camara (101) para contener material o un cuerpo a incinerar.

Un colector de energfa solar como se reivindico en la reivindicacion 18, en donde el medio del deposito de incineracion comprende, al menos, un medio del control de la temperatura y un medio del control de la presion.

Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de la camara es de uno o mas materiales de metal, aleacion de metal y ceramica.

Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el medio de la camara es de titanio tungsteno revestido internamente con material ceramico de altas temperaturas.

Un colector de energfa solar como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un medio del manejo del gas para proporcionar un ambiente de gas inerte dentro del medio de la camara.

Un metodo para captar la energfa solar que comprende las etapas de:

a. proporcionar un medio de la camara (11) que define un volumen interno, en donde el medio de la camara comprende un medio de los paneles articulados (61) para formar una pared del medio de la camara en el que el medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas (611) se ubican para formar una superficie interna del medio de la camara;

b. proporcionar un medio del puerto de entrada (12) que se comunica con el volumen interno; y

c. admitir la energfa solar (13) a traves del medio del puerto de entrada en el volumen interno de manera que la energfa solar se absorbe y se refleja repetidamente dentro del medio de la camara hasta que sustancialmente toda la energfa solar se absorbe por el medio de la camara y al menos parte de la energfa solar se convierte en electricidad por el medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas.

Un metodo como se reivindico en la reivindicacion 23, en donde la etapa de admitir energfa solar a traves del medio del puerto de entrada comprende hacer que los fotones de la energfa solar entren al medio de la camara, para circular sustancialmente en una unica direccion (15, 16) dentro del medio de la camara, hasta que se absorben, de manera que al volver a pasar el medio del puerto de entrada sustancialmente ningun foton emerge del puerto de entrada.

Un metodo como se reivindico en las reivindicaciones 23 o 24, que incluye ademas las etapas de proporcionar un medio del control de la temperatura y de esta manera, mantener un diferencial de temperatura predeterminado a traves del medio de las celdas fotovoltaicas y/o el medio de las celdas termovoltaicas para que sustancialmente trabajen a la eficiencia maxima de los mismos.

Un metodo como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, que comprende ademas las etapas de proporcionar un medio intercambiador de calor (72, 73, 74) y extraer con este energfa termica del medio de la camara.

Un metodo, como se reivindico en la reivindicacion 26, en donde la etapa de proporcionar un medio intercambiador de calor comprende proporcionar un medio del recubrimiento ubicado alrededor de, al menos, una porcion del medio de la camara.

Un metodo, como se reivindico en las reivindicaciones 26 o 27, que comprende las etapas adicionales de proporcionar un medio del deposito a presion que encierra el medio de la camara y de generar vapor de alta calidad en el mismo.

Un metodo como se reivindico en la reivindicacion 28, que comprende las etapas adicionales de proporcionar un medio del generador electrico y de usar el vapor de alta calidad para generar electricidad.

Un metodo como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 23 a 29, que incluye una etapa adicional de incinerar material de desecho con la energfa solar captada.
31. Un metodo como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 23 a 29, que incluye una etapa adicional de cremar cuerpos con la energfa solar captada.
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Un metodo como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 23 a 31, que incluye una etapa adicional de proporcionar un medio del deposito de incineracion (60) dentro del medio de la camara (101) para contener material o cuerpos a incinerar.
33.

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Un metodo como se reivindico en cualquiera de las reivindicaciones 23 a 30, que comprende una etapa adicional de proporcionar el medio de manejo del gas y proporcionar con este un ambiente de gas inerte dentro del medio de la camara.