ES2587066T3

ES2587066T3 - Seguidor solar para dispositivos de energía solar

Info

Publication number: ES2587066T3
Application number: ES12818858.8T
Authority: ES
Inventors: Fintan J. DOYLE
Original assignee: SULAS IND; SULAS INDUSTRIES
Current assignee: SULAS IND; SULAS INDUSTRIES
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: EP2805118B1; JP2015508634A; AU2012362636A1; WO2013101696A3; CN104160220B; US8763601B2; CN104160220A; EP2805118A2; JP6193263B2; WO2013101696A2; US20120097149A1

Abstract

Dispositivo de seguimiento solar que puede emplearse en un sistema de energía solar, comprendiendo el dispositivo de seguimiento solar: un colector solar que presenta un lugar geométrico focal; un receptor solar que presenta un eje central, estando el receptor solar montado en el colector solar de manera que el eje central esté sustancialmente en el lugar geométrico focal del colector solar; un medio en comunicación térmica con el receptor solar, en el que el medio experimenta un cambio de fase de una fase sólida a una fase líquida a una temperatura predeterminada; y un pistón dispuesto parcialmente dentro del receptor solar y coaxial con el receptor solar, caracterizado por que el colector solar está acoplado de manera giratoria a un alojamiento alrededor de un eje de rotación y la fuerza hidráulica de la expansión del medio provocada por una radiación solar incidente sobre el colector solar dentro de un ángulo de aceptación del colector solar provoca una fuerza sobre el pistón con respecto al receptor solar para accionar una rotación del colector solar alrededor del eje de rotación en una dirección de desplazamiento solar.

Description

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DESCRIPCION

Seguidor solar para dispositivos de energfa solar.

Antecedentes

1. Campo

Esta solicitud se refiere de manera general al campo de la energfa solar, y mas particularmente a aumentar la salida de energfa de sistemas de energfa solar.

2. Antecedentes relevantes

Las fuentes de energfa renovables se ven cada vez mas como la solucion para cumplir con el aumento de demandas de energfa a la vez que se reducen las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de combustibles fosiles. Las polfticas energeticas gubernamentales, los avances en tecnologfas de energfa renovable, y el aumento de la inversion han contribuido a un crecimiento rapido de muchas tecnologfas diferentes de energfa renovable.

Los dispositivos de energfa solar son uno de los segmentos de mas rapido crecimiento del panorama de la energfa renovable. Por ejemplo, los dispositivos solares fotovoltaicos (“FV”) conectados a la red aumentaron en una tasa promedio anual del 60 por ciento entre 2004 y 2009. Solo en 2009, se anadio a nivel mundial una capacidad estimada de 7 GW de FV conectados a la red. Otras tecnologfas de energfa solar que estan en uso o desarrollo incluyen energfa solar de concentracion (“CSP”), sistemas de calefaccion por agua caliente solares, cocinas solares, desecadores de cultivo solares, destilerfas y desalinizadoras solares y similares.

El coste es un factor importante para las instalaciones de energfa renovable. Especfficamente, la energfa renovable es normalmente mas cara por vatio que la energfa de combustible fosil incluyendo carbon y gas natural. Los costes primarios costes asociados con las fuentes de energfa renovables tales como la energfa solar son costes de capital inicial y costes de mantenimiento. Aunque el coste de algunas tecnologfas de energfa solar tales como la fotovoltaica esta disminuyendo debido a avances en la tecnologfa y aumentos en la sofisticacion y la magnitud de su fabricacion, la energfa solar generalmente no ha alcanzado paridad de costes con las fuentes de energfa de combustible fosil.

En sistemas de energfa solar, la eficiencia es un aspecto importante de la salida de energfa util del sistema. Por ejemplo, las celulas FV comerciales presentan normalmente menos del 20% de eficiencia de conversion de la energfa solar incidente. Otros factores que afectan a la generacion de energfa solar incluyen la cantidad de energfa solar incidente en el lugar de instalacion y el angulo de incidencia de la radiacion solar sobre el sistema de energfa solar.

Para aumentar la eficiencia, se conoce orientar un dispositivo de energfa solar en el sentido de maxima exposicion a la energfa del sol a lo largo del dfa. Este control de orientacion, conocido como seguimiento solar, puede aumentar la salida de energfa a lo largo de un dfa en aproximadamente el 20-40% frente a un dispositivo de energfa solar de orientacion fija. Los seguidores solares generalmente realizan un seguimiento del movimiento del sol o bien en un unico eje o bien utilizando dos ejes. Los seguidores de un eje presentan un eje de rotacion, que puede orientarse horizontalmente, verticalmente, o inclinarse a algun angulo con respecto a la horizontal, ajustandose el angulo de inclinacion de manera comun basandose en la latitud de la instalacion. Los seguidores de dos ejes pueden seguir al sol tanto en la direccion horizontal como en la vertical y por tanto proporcionar una salida de energfa solar optima para un sistema de energfa solar. Sin embargo, el seguimiento del movimiento del sol basandose en un eje proporciona el mayor beneficio frente a una orientacion fija con aproximadamente el 30% de aumento de salida, proporcionando el eje adicional de seguimiento solo aproximadamente otro 6% en salida de energfa.

El seguimiento solar se consigue generalmente con un sistema de control o bien activo o bien pasivo. Los seguidores solares activos utilizan sensores o datos predeterminados para encontrar la posicion actual del sol, y orientar activamente el dispositivo solar hacia el sol (por ejemplo, utilizando motores, engranajes y ordenadores). Aunque los seguidores activos pueden utilizar una posicion solar conocida para orientarse y por tanto no son propensos a imprecisiones debidas a fluctuaciones de energfa solar (por ejemplo, nubes transitorias, etc.), son generalmente costosos en cuanto a tanto la instalacion inicial como a costes de mantenimiento.

Los seguidores solares pasivos orientan un dispositivo de energfa solar sin la utilizacion de motores. Un seguidor solar pasivo comercial utiliza la energfa del sol para mover un lfquido volatil desde un receptaculo en un lado de un panel solar hasta un receptaculo en el otro lado del panel solar, lo que permite entonces que la gravedad oriente el panel. Esta tecnologfa es costosa, imprecisa, propensa a alterarse por rafagas de viento, y requiere receptaculos de fluido grandes para orientar sistemas de energfa solar grandes. Ademas, este tipo de sistema acaba el dfa orientado hacia el oeste, y no se reorienta durante la noche para orientarse hacia el este. Por consiguiente, los seguidores solares de receptaculo de fluido requieren tiempo despues de que el sol salga por la manana para reorientarse ellos

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mismos hasta orientarse hacia el este. Actualmente, los seguidores solares tanto activos como pasivos pueden ser un componente de coste sustancial en un sistema de energfa solar. Por estos motivos, muchas instalaciones solares son de orientacion fija y no utilizan seguidores solares.

El documento DE 91161514 da a conocer un dispositivo de seguimiento solar segun el preambulo de la reivindicacion 1.

Sumario

Formas de realizacion de la presente invencion se dirigen generalmente a un seguidor solar que utiliza accionamiento termico para seguir el movimiento del sol a lo largo del dfa. El seguidor solar generalmente incluye un colector que concentra radiacion solar en un receptor que esta aproximadamente en el punto focal o area focal del colector. El receptor absorbe la radiacion solar concentrada y calienta un medio de expansion termica. Las fuerzas hidraulicas provocadas por el medio de expansion termica provocan que el colector rote alrededor de un eje de rotacion de manera que el colector grna el movimiento del sol a lo largo del dfa. La rotacion del colector tambien rota un dispositivo de energfa solar de manera que generalmente se orienta en la direccion de la radiacion solar incidente a lo largo del dfa. En diversas configuraciones, el retorno del seguidor solar a la posicion inicial se proporciona mediante gravedad y/o fuerzas de resorte mecanico de manera que se orienta hacia el este al inicio del dfa siguiente.

Segun un aspecto coherente con diversas formas de realizacion, el dispositivo de seguimiento solar incluye un colector solar (por ejemplo, un concentrador solar y similares) acoplado de manera giratoria a un eje de rotacion, un receptor solar que presenta un eje central y esta dispuesto con respecto al colector solar de manera que el eje central esta sustancialmente en un lugar geometrico focal del colector solar, y un medio en comunicacion termica con el receptor solar. La expansion del medio acciona una rotacion del colector solar alrededor del eje de rotacion de manera que un eje optico del colector rota en una direccion de desplazamiento solar. El medio puede ser un material de cambio de fase o un medio de expansion termica. Por ejemplo, el medio puede ser un medio de cambio de fase que experimenta una transicion de fase de una fase solida a una fase lfquida a una temperatura predeterminada tal como cera de parafina.

Segun otros aspectos coherentes con diversas formas de realizacion, la expansion del medio puede accionar una extension de un eje acoplado al receptor solar de manera axial fuera de un alojamiento concentrico con el eje. En formas de realizacion, el seguidor solar puede incluir ademas un piston dispuesto parcialmente dentro del receptor solar, en el que la expansion del medio provoca una fuerza en el piston con respecto al receptor solar, un eje hueco acoplado al receptor solar que es concentrico con el piston y esta accionado de manera deslizante con el piston, un rodillo de leva acoplado al eje, y/o un alojamiento anular concentrico con el eje hueco que presenta un perfil de desplazamiento de leva, en el que el rodillo de leva esta accionado de manera deslizante con el perfil de desplazamiento de leva, y en el que el perfil de desplazamiento de leva y el rodillo de leva convierten el movimiento lineal del eje hueco n respecto al alojamiento provocado por una fuerza en el piston en relacion con el receptor solar en un movimiento giratorio simultaneo del eje hueco con respecto al alojamiento anular. El dispositivo de seguimiento solar tambien puede incluir una envolvente de receptor transparente concentrica con el receptor solar y separada de la superficie externa del receptor solar mediante una separacion.

Segun otros aspectos coherentes con diversas formas de realizacion, el sentido de rotacion del eje optico del colector solar provocado por la expansion del medio es un sentido de rotacion de acimut solar. El eje de rotacion puede colocarse de manera que esta inclinado a un angulo de inclinacion de eje relacionado con un angulo de elevacion solar y/o de manera que una proyeccion del eje de rotacion sobre la superficie terrestre esta sustancialmente en una orientacion norte-sur.

Segun otros aspectos coherentes con diversas formas de realizacion, un sistema de energfa solar incluye el seguidor solar y un dispositivo de energfa solar acoplado de manera giratoria al eje de rotacion. El colector solar puede acoplarse al dispositivo solar a un angulo de desplazamiento fijo alrededor del eje de rotacion. El angulo de desplazamiento fijo puede ser aproximadamente igual a un angulo de aceptacion del colector solar.

Segun otros aspectos coherentes con diversas formas de realizacion, un metodo de seguimiento solar incluye concentrar la radiacion solar incidente con un colector solar, presentando el colector solar un lugar geometrico focal que recibe radiacion solar con un angulo de incidencia en relacion con un eje optico del colector solar que es menor que o igual a un angulo de aceptacion del colector solar, absorber la radiacion solar concentrada en un receptor solar que esta dispuesto sustancialmente en el lugar geometrico focal del colector solar, transferir energfa procedente de la radiacion solar concentrada absorbida por el receptor solar a un medio, expandiendose el medio al haber un aumento en la temperatura del medio, y accionar una rotacion del colector solar mediante la expansion del medio, en el que el accionamiento de rotacion rota el colector solar de manera que el eje optico del colector solar rota en una direccion de desplazamiento solar. El metodo puede incluir devolver el colector solar a una posicion inicial despues de un final de un periodo de seguimiento por lo menos parcialmente mediante fuerzas de resorte mecanico y/o gravitacionales.

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Segun otros aspectos coherentes con diversas formas de realizacion, un dispositivo de seguimiento solar incluye un colector solar, un receptor solar que presenta un eje longitudinal, un piston concentrico con el eje longitudinal del receptor de energfa solar y que se adentra por lo menos parcialmente en una cavidad definida por el receptor solar, un medio en la cavidad del receptor solar, en el que la expansion del medio acciona un movimiento lineal del piston con respecto al receptor solar a lo largo del eje longitudinal, y un dispositivo giratorio que convierte el movimiento lineal del piston en movimiento giratorio del colector solar. Una posicion inicial del colector solar al principio de un dfa puede ser mayor que un angulo de acimut del sol al principio del dfa.

Breve descripcion de los dibujos

En figuras con referencias de los dibujos se ilustran formas de realizacion de la presente invencion, en las que numeros iguales hacen referencia a elementos iguales a lo largo de la descripcion de las figuras.

La figura 1a ilustra un sistema de energfa solar que emplea un dispositivo de seguimiento solar de la presente invencion, segun diversas formas de realizacion.

La figura 1b ilustra una configuracion alternativa de un sistema de energfa solar que emplea un dispositivo de seguimiento solar de la presente invencion, segun diversas formas de realizacion.

La figura 2 ilustra aspectos de un dispositivo de seguimiento solar para un sistema de energfa solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 3 ilustra aspectos de un conjunto de colector solar para un dispositivo de seguimiento solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 4a ilustra aspectos de funcionamiento de un conjunto de colector solar a medida que realiza el seguimiento de la trayectoria solar a lo largo del dfa, segun diversas formas de realizacion.

La figura 4b ilustra otros aspectos de funcionamiento de un conjunto de colector solar a medida que realiza el seguimiento de la trayectoria solar a lo largo del dfa, segun diversas formas de realizacion.

La figura 4c ilustra todavfa otros aspectos de funcionamiento de un conjunto de colector solar a medida que realiza el seguimiento de la trayectoria solar a lo largo del dfa, segun diversas formas de realizacion.

La figura 5 ilustra un conjunto de piston para un dispositivo de seguimiento solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 6a ilustra una seccion transversal de componentes de un dispositivo de seguimiento solar en una posicion inicial, segun diversas formas de realizacion.

La figura 6b ilustra una seccion transversal de componentes de un dispositivo de seguimiento solar en una posicion extendida, segun diversas formas de realizacion.

La figura 7a ilustra un sistema de energfa solar con multiples dispositivos de energfa solar que se orientan mediante un unico dispositivo de seguimiento solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 7b ilustra otra vista de un sistema de energfa solar con multiples dispositivos de energfa solar que se orientan mediante un unico dispositivo de seguimiento solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 8a ilustra un sistema de energfa solar que emplea una disposicion de montaje alternativa para un dispositivo de energfa solar, segun diversas formas de realizacion.

La figura 8b ilustra el sistema de energfa solar de la figura 8a en una configuracion alternativa, segun diversas formas de realizacion.

La figura 9 ilustra un sistema de energfa solar que emplea un dispositivo de seguimiento solar segun formas de realizacion de la presente invencion en combinacion con un sistema hidraulico convencional.

Descripcion detallada

La presente divulgacion se refiere de manera general a un dispositivo de seguimiento solar para orientar un dispositivo de energfa solar (por ejemplo, panel fotovoltaico, etc.) hacia el sol a lo largo de un dfa. Mas particularmente, el dispositivo de seguimiento solar dado a conocer utiliza un colector solar (por ejemplo, reflector parabolico y similares) que rota el dispositivo de energfa solar para seguir al sol basandose en accionamiento termico. El dispositivo de seguimiento solar enfoca la energfa solar en un receptor, que entonces calienta un medio de expansion termica provocando un accionamiento mecanico que rota el colector de manera que se aumenta el

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angulo de incidencia de la radiacion solar. Es decir, a medida que el sol se desplaza a traves del cielo durante el dfa, el colector rota basandose en el accionamiento termico en un sentido que gufa la direccion de desplazamiento solar. Al final del dfa, el medio termico se enfrfa y el dispositivo de seguimiento solar devuelve el dispositivo de energfa solar a una posicion inicial (por ejemplo, orientado hacia el este) de manera que esta orientado correctamente al inicio del dfa siguiente. El dispositivo de seguimiento solar puede implementarse preferiblemente como un seguidor solar de acimut de un eje inclinado, sin embargo, puede implementarse en otras disposiciones (por ejemplo, de eje horizontal, de eje vertical, etc.).

Las figuras 1a y 1b ilustran un sistema de energfa solar 100 que emplea un dispositivo de seguimiento solar 110 de la presente invencion, segun diversas formas de realizacion. Generalmente, el sistema de energfa solar 100 se monta en un soporte fijo 130 e incluye un dispositivo de energfa solar 150 montado en el soporte 130 por medio de elementos de sujecion de montaje 122 y 124, una barra pivotante principal 160, y elementos de sujecion de montaje de inclinacion 140. Se utilizan elementos de sujecion de montaje de inclinacion 140 para orientar la barra pivotante principal 160 a un angulo deseado, definiendo generalmente el eje de rotacion del sistema de energfa solar 100 a medida que realiza el seguimiento del movimiento del sol.

El dispositivo de energfa solar 150 puede ser cualquiera de una variedad de dispositivos para capturar energfa solar y/o convertir energfa solar en electricidad y/o calor incluyendo pero sin limitarse a fotovoltaicos (“FV”), energfa solar de concentracion (“CSP”), calentadores de agua caliente solares, sistemas de luz interna solares (por ejemplo, iluminacion solar hfbrida, etc.), cocinas solares, destilerfas solares, desecadores de cultivo solares, desalinizadores solares y similares. Aunque la presente descripcion ilustra generalmente el dispositivo de energfa solar 150 como un panel solar FV, el dispositivo de seguimiento solar dado a conocer puede utilizarse en cualquier sistema de energfa solar que pueda beneficiarse de la capacidad de seguimiento solar.

La figura 1a ilustra el sistema de energfa solar 100 con el dispositivo de seguimiento solar 110 en una posicion inicial (es decir, la configuracion matutina). La barra pivotante principal 160 proporciona el eje de rotacion para el dispositivo de energfa solar 150 y puede apuntar generalmente en una direccion norte-sur, y el dispositivo de seguimiento solar 110 puede estar en el extremo norte de la barra pivotante principal 160 para su utilizacion en el hemisferio norte. La barra pivotante principal 160 puede inclinarse a un angulo con respecto a la vertical utilizando elementos de sujecion de inclinacion 140 que esta relacionado con una elevacion de la trayectoria solar en la latitud de la instalacion. El dispositivo de seguimiento solar 110, descrito en mas detalle a continuacion, esta unido a la barra pivotante principal 160 a traves de un alojamiento principal 230. El dispositivo de energfa solar 150 esta unido al dispositivo de seguimiento solar 110 mediante un elemento de sujecion superior 122, y tambien esta unido a la barra pivotante principal 160 por medio de un elemento de sujecion inferior 124, que esta acoplado de manera deslizante y rotativa a la barra pivotante principal 160.

El dispositivo de seguimiento solar 110 incluye un conjunto de colector solar 200, que rota para guiar el desplazamiento solar a lo largo del dfa. A medida que el conjunto de colector solar 200 realiza el seguimiento del movimiento solar (por ejemplo, un seguimiento de acimut, etc.), el dispositivo de seguimiento solar 110 rota el dispositivo de energfa solar 150 alrededor del eje de rotacion definido por la barra pivotante principal 160 a traves de un elemento de sujecion superior 122. El conjunto de colector solar 200 rota sobre un eje que se adentra en el alojamiento principal 230, que esta unido a la barra pivotante principal 160. La expansion termica de un medio en el conjunto de colector solar 200 extiende el eje fuera del alojamiento principal 230, y rodillos de levas en el eje engranan en ranuras helicoidales del alojamiento principal 230 para crear el movimiento de rotacion del conjunto de colector solar 200 y el dispositivo de energfa solar 150.

La figura 1b ilustra componentes del sistema de energfa solar 100 en un momento posterior del dfa con respecto al de la figura 1a, mostrandose la posicion del dispositivo de energfa solar 150 con un contorno discontinuo. Por ejemplo, la figura 1b puede ilustrar el sistema de energfa solar 100 en una posicion vespertina tardfa. En este caso, el eje 254 se extiende fuera del alojamiento principal 230 y el conjunto de colector solar 200 y el dispositivo de energfa solar 150 se rotan alrededor de la barra pivotante principal 160 hasta orientarse generalmente en direccion oeste. Tal como se ilustra en la figura 1b, el elemento de sujecion inferior 124 se desliza y rota en la barra pivotante principal 160 para realizar el seguimiento del movimiento del elemento de sujecion superior 122 rotada mediante el dispositivo de seguimiento solar 110. Aunque las figuras 1a y 1b ilustran una tecnica para montar un seguidor solar 110 para rotar un dispositivo de energfa solar 150, otras configuraciones de montaje se encuentran dentro del alcance de la invencion, y un experto en la materia puede utilizar una variedad de tecnicas de montaje para utilizar el dispositivo de seguimiento solar 110 para rotar un dispositivo de energfa solar 150.

La figura 2 ilustra el dispositivo de seguimiento solar 110 en mas detalle, segun diversas formas de realizacion. El dispositivo de seguimiento solar 110 incluye el conjunto de colector solar 200 que generalmente incluye un colector de concentracion 212 soportado mediante un soporte de colector 211, y un receptor 214 que se coloca para recibir radiacion solar reflejada por el colector de concentracion 212. El colector de concentracion 212 puede ser, por ejemplo, un concentrador solar reflectante con un eje optico definido generalmente por el eje de simetrfa de la parabola. La radiacion solar incidente en el concentrador solar reflectante que es generalmente paralela al eje optico de la parabola se enfoca en una lfnea definida por el punto focal de la parabola. En formas de realizacion, el receptor 214 esta montado en o cerca del punto focal de la parabola. Como tal, la radiacion solar incidente que es

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sustancialmente paralela al eje optico del concentrador solar se refleja mediante el colector de concentracion 212 y se absorbe mediante el receptor 214. En este caso, el receptor 214 absorbe la radiacion incidente en el colector 212 y convierte la radiacion solar en calor.

A medida que el receptor 214 absorbe radiacion solar, transfiere calor a un medio que se expande a medida que se calienta por encima de un intervalo de temperatura dado. En formas de realizacion, el medio es un material de cambio de fase (“PCM”) que experimenta expansion a una temperatura de transicion de fase. Por ejemplo, la cera de parafina es un PCM que se expande aproximadamente el 10-20% a medida que pasa de una fase solida o cristalina a una fase lfquida. La cera de parafina tambien presenta una entalpfa o calor de fusion relativamente alto (por ejemplo, de 200-220 J/g), lo que significa que absorbe una cantidad relativamente grande de calor durante la fase de calor latente a medida que pasa de una fase solida o cristalina a una fase lfquida. Esta caracterfstica puede proporcionar ventajas adicionales para el dispositivo de seguimiento solar 110 como se describe en mas detalle a continuacion.

La temperatura de transicion de fase del PCM tambien puede ajustarse basandose en el funcionamiento deseado. Por ejemplo, el punto de fusion de la cera de parafina puede ajustarse sobre un amplio intervalo de temperaturas como se conoce en la tecnica. Preferiblemente, la temperatura de transicion de fase del PCM es mayor que la temperatura de aire ambiente mas alta esperada, de manera que el accionamiento provocado por la transicion de fase no se produce sin el calor generado por la radiacion solar concentrada en el receptor 214. En formas de realizacion, la temperatura de transicion de fase del PCM puede depender de la temperatura de aire ambiente maxima esperada en la ubicacion de instalacion del sistema de energfa solar. Por ejemplo, en Fenix, AZ, donde es posible presentar temperaturas ambiente de 120° F, podrfa utilizarse una cera de parafina con un punto de fusion de 145° F. En un clima mas frfo en el que 80°F podrfa ser la temperatura de aire ambiente maxima esperada durante el ano, podrfa utilizarse una cera de parafina con un punto de fusion de 100°F.

En diversas formas de realizacion, pueden utilizarse otros medios de expansion termica. Por ejemplo, algunas formas de realizacion pueden utilizar un medio con un coeficiente de expansion termica positivo relativamente alto que no experimenta un cambio de fase por encima del intervalo de temperatura de funcionamiento del dispositivo de seguimiento solar. Por ejemplo, formas de realizacion pueden utilizar un polfmero de expansion termica, aceite hidraulico, aceite mineral, aceite vegetal, y/u otro medio de expansion termica adecuado.

La expansion del medio (por ejemplo, la fusion de la cera de parafina y similares) provoca un aumento de la presion hidraulica del medio que puede utilizarse para generar un accionamiento mecanico. Por ejemplo, la expansion del medio puede utilizarse para provocar el accionamiento de un piston u otro accionador hidraulico. El accionamiento lineal (por ejemplo, por medio de un piston, etc.) se convierte en movimiento de rotacion para rotar el dispositivo de seguimiento solar 110 para realizar el seguimiento del angulo del sol a medida que se desplaza a traves del cielo durante el dfa. El dispositivo de energfa solar 150 esta acoplado de manera giratoria al dispositivo de seguimiento solar 110 de manera que la rotacion del dispositivo de energfa solar 110 rota el dispositivo de energfa solar alrededor de la barra pivotante principal 160 para realizar el seguimiento del sentido del movimiento solar. Por consiguiente, el dispositivo de seguimiento solar 110 puede mejorar significativamente la salida de energfa del dispositivo de energfa solar 150 sin necesidad de electricidad proporcionada por el dispositivo de energfa solar u otras fuentes.

La figura 3 ilustra aspectos del conjunto de colector solar 200 en mas detalle, segun diversas formas de realizacion. Mas particularmente, la figura 3 puede ilustrar una vista en perspectiva de componentes del conjunto de colector solar 200 a lo largo del eje de rotacion del conjunto de colector solar 200. Por ejemplo, el conjunto de colector solar 200 puede rotar alrededor de un eje 310 concentrico con el receptor 214. El colector solar 212 refleja de manera general la radiacion solar incidente que es paralela a un eje optico 318 de manera que se enfoca en el receptor 214. Por ejemplo, el colector solar 212 puede ser un concentrador solar reflectante con un eje de simetrfa definido por el eje optico 318. Como tal, un rayo solar incidente que es paralelo al eje optico 318 (por ejemplo, el rayo 332) se refleja desde el colector solar 212 hasta el punto focal de la parabola (por ejemplo, el rayo 342) y se absorbe mediante el receptor 214. A medida que aumenta el angulo de incidencia de radiacion solar, ya no se enfoca en el punto focal de la parabola. Un angulo de aceptacion Qa 330 puede definirse como la extension angular para la que la radiacion solar se absorbera mediante el receptor 214 en el conjunto de colector solar 200. Es decir, los rayos solares que son incidentes en el colector solar 212 a angulos de incidencia con respecto al eje optico 318 iguales a un angulo de aceptacion Qa 330 (por ejemplo, los rayos 334 y 336), se reflejan mediante el colector solar 212 lejos del punto focal de la parabola (por ejemplo, los rayos reflejados 344 y 346) y no se absorben mediante el receptor 214. Por tanto, un cono de aceptacion puede definirse como la extension angular de ±Qa con respecto al eje optico 318 para la que la radiacion solar se concentra sustancialmente en el receptor 214. El angulo de aceptacion Qa 330 puede determinarse mediante caracterfsticas del colector solar 212 y el receptor 214 como se describe en mas detalle a continuacion.

Otro parametro relevante para el funcionamiento del conjunto de colector solar 200 es la relacion de concentracion C. La relacion de concentracion C puede definirse de manera general como la relacion de radiacion solar recibida por el receptor 214 procedente del colector 212 en comparacion con la energfa solar recibida nominal (es decir, no concentrada). La relacion de concentracion C puede determinarse mediante la relacion de la anchura del colector

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dividida por el area de superficie del receptor. La relacion de concentracion C y el angulo de aceptacion Qa 330 pueden adaptarse para conseguir parametros de funcionamiento deseados del sistema de seguimiento solar como se describe en mas detalle a continuacion.

Tal como se ilustra en la figura 3, el elemento de sujecion 122 puede estar desplazado angularmente con respecto al eje optico 318 un angulo de desplazamiento 322. Es decir, cuando el dispositivo de energfa solar 150 esta montado en el elemento de sujecion 122, un eje primario del dispositivo de energfa solar 150 (por ejemplo, eje de radiacion solar incidente para la mayor eficiencia) puede estar desplazado el angulo de desplazamiento del elemento de sujecion 322 alrededor del eje de rotacion 310. El angulo de desplazamiento de elemento de sujecion 322 puede compensar el desplazamiento angular entre la radiacion solar incidente y el mecanismo de seguimiento del conjunto de colector solar 200, como se describe en mas detalle a continuacion. En formas de realizacion, el angulo de desplazamiento 322 puede ser aproximadamente igual al angulo de aceptacion Qa. Opcionalmente, el angulo de desplazamiento 322 puede elegirse para que sea menor que o mayor que el angulo de aceptacion Qa, o ajustarse para una ubicacion particular (por ejemplo, latitud, etc.) o epoca del ano. En otras formas de realizacion, el angulo de desplazamiento 322 puede ser cero. Es decir, el elemento de sujecion 122 opcionalmente no esta desplazado angularmente con respecto al eje optico 318 en estas formas de realizacion.

Las figuras 4a-4c ilustran de manera general el funcionamiento del conjunto de colector solar 200 a medida que realiza el seguimiento de la trayectoria solar a lo largo del dfa. Las figuras 4a-4c se ilustran con respecto a una configuracion de seguimiento de acimut solar del conjunto de colector solar 200, y por tanto describen la orientacion del conjunto de colector solar 200 con respecto al acimut solar. Como tal, el angulo de inclinacion del conjunto de colector solar 200 no se ilustra en las figuras 4a-4c. Aunque las figuras 4a-4c ilustran un seguimiento de acimut utilizando el conjunto de colector solar 200, otras configuraciones de seguimiento (por ejemplo, de elevacion, etc.) pueden funcionar de manera similar al funcionamiento general descrito en las figuras 4a-4c. El termino angulo de acimut solar, como se utiliza en la presenta memoria, sigue de manera general la convencion de medir el angulo de acimut solar como un angulo en sentido horario desde el norte. A este respecto, las figuras 4a-4c describen el funcionamiento del conjunto de colector solar 200 en una latitud norte a medida que realiza el seguimiento de del sol que describe una trayectoria con un angulo de acimut solar generalmente creciente a lo largo del dfa. Para latitudes sur, debe entenderse que el sol sale por el este y describe un arco de angulo de acimut generalmente decreciente a medida que se desplaza a traves del cielo a lo largo del dfa. Como tal, el funcionamiento del dispositivo de seguimiento solar 110 en latitudes sur puede entenderse modificando en consecuencia la presente descripcion.

Tal como se ilustra en la figura 4a, el conjunto de colector solar 200 comienza en una posicion de partida definida por un angulo de partida 426a. El angulo de partida 426a puede ser generalmente el angulo del eje optico 318a del colector 212 con respecto al angulo de acimut solar en la posicion inicial o de partida. Tal como se ilustra en la figura 4a, el angulo de acimut solar se define de manera general como el angulo de radiacion solar incidente medido desde el norte en sentido horario. En formas de realizacion, el angulo de partida 426a es mayor de 90 grados de acimut solar en latitudes norte, lo que significa que el conjunto de colector solar 200 no rota completamente hasta orientarse hacia el este en la posicion inicial o de partida. Generalmente, el angulo de partida debe ser mayor que el angulo de acimut solar a la salida del sol de manera que el conjunto de colector solar 200 puede inicializarse correctamente. Por ejemplo, el angulo de partida puede fijarse mediante el angulo de acimut solar mayor (es decir, lo mas al sur en el hemisferio norte) a la salida del sol a lo largo del ano para la latitud de instalacion del sistema de energfa solar.

En formas de realizacion, el angulo de partida puede fijarse a un angulo de acimut solar varios grados mayor que el angulo de acimut solar mayor a la salida del sol durante el ano. Por ejemplo, la radiacion solar temprano en la manana puede reducirse sustancialmente con respecto al mediodfa debido a perdidas atmosfericas mayores. Por tanto, puede no ser tan importante rotar el dispositivo de energfa solar completamente hasta orientarse hacia el angulo de acimut del sol a la salida del sol porque el dispositivo de energfa solar 150 presentara una salida de energfa global reducida independientemente de la orientacion hasta algun tiempo mas tarde por la manana. Adicionalmente, la radiacion solar reducida temprano en la manana puede hacer mas diffcil que el dispositivo de seguimiento solar 110 alcance una temperatura de funcionamiento para empezar el seguimiento. Es decir, en el arranque, el medio termico puede estar aproximadamente a la temperatura de aire ambiente. Si se utiliza un PCM tal como cera de parafina como medio, la condicion de arranque puede incluir calentar el medio desde la temperatura de aire ambiente hasta aproximadamente la temperatura de cambio de fase para que el dispositivo de seguimiento solar 110 empiece el seguimiento. Debido a que el ciclo de calentamiento de arranque se produce durante el tiempo que el receptor esta enfocado (es decir, angulo de acimut solar dentro de ±Qa del eje optico 318), una mayor radiacion solar puede fomentar una inicializacion del seguimiento mas fiable.

La condicion de arranque por la manana puede beneficiarse de un angulo de partida que coloca el eje optico del conjunto de concentrador solar 200 a un angulo de acimut solar mayor (en el hemisferio norte) que el angulo de acimut del sol a la salida del sol. Sin embargo, puede ser posible que el angulo de partida sea menor que el angulo de acimut solar a la salida del sol en determinadas condiciones. Por ejemplo, el angulo de partida puede ser tan grande como el angulo de aceptacion Qa del conjunto de colector solar 200 menos que el angulo de acimut solar a la salida del sol. En formas de realizacion, el angulo de partida puede ser ajustable dependiendo de la latitud, o ajustable dependiendo de la epoca del ano.

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La figura 4a puede ilustrar un caso en el que el sol esta justo por encima del horizonte al este. En este caso, el sol presenta un angulo de acimut de Qi, y la radiacion solar 424a es incidente en el conjunto de colector solar 200 a un angulo de incidencia de 428a con respecto al eje optico 318a. A este respecto, la radiacion solar 424a puede presentar un angulo de acimut poco mayor de 90 grados (es decir, ligeramente al sur desde el Este). Esto puede corresponderse con un dfa de primavera u otono en una latitud norte. Por ejemplo, a las 7 am el 20 de marzo a una latitud aproximada de 40 grados (por ejemplo, en Silverthorne, CO), el angulo de acimut de radiacion solar es aproximadamente de 98,5 grados. Tal como se ilustra en la figura 4a, la radiacion solar 424a desde el angulo de acimut Qi, incidente sobre el conjunto de colector solar 200 con un angulo de partida de 426a no se enfoca en el receptor 214, sino que se enfoca en cambio en una region 434a desplazada con respecto al receptor 214.

La figura 4b ilustra el conjunto de colector solar 200 en un momento ligeramente mas tarde durante el dfa con respecto al de la figura 4a. En la figura 4b, el angulo de acimut solar viene dado ahora por Q2, lo que puede dar como resultado un angulo de incidencia 428b de radiacion solar 424b con respecto al eje optico 318a que es igual a o menor que el angulo de aceptacion Qa del conjunto de colector solar 200. Tal como se ilustra en la figura 4b, la radiacion solar incidente 424b se enfoca ahora mediante el colector 212 sobre el receptor 214. A medida que el receptor 214 absorbe radiacion solar 424b, transfiere calor a un medio de expansion termica en comunicacion termica con el receptor 214 y el medio provoca un accionamiento mecanico que ejerce una fuerza de rotacion sobre el conjunto de colector solar 200.

Tal como se ilustra mediante la figura 4c, el accionamiento giratorio provoca que el conjunto de colector solar 200 rote en un sentido horario con respecto al sistema de coordenadas de acimut solar. Es decir, el colector solar 212 rota de manera que el eje optico 318b ahora apunta en una direccion que delimita un angulo de acimut solar mayor 426b. Esta rotacion del conjunto de colector solar 200 provoca que la radiacion solar 424b presente un angulo de incidencia de 428c, que puede ser aproximadamente igual al angulo de aceptacion Qa del conjunto de colector solar 200. Tal como se ilustra en la figura 4c, debido a la rotacion del conjunto de colector solar 200, la radiacion solar incidente 424b no puede ya enfocarse sobre receptor 214 como era en la figura 4b. Por tanto, el receptor 214 ya no absorbe radiacion solar concentrada. Como tal, el receptor no continua transfiriendo radiacion solar concentrada absorbida al medio, y el medio puede dejar de expandirse.

Como se ha descrito anteriormente, un PCM tal como cera de parafina puede utilizarse como un medio de expansion termica. En este caso, el conjunto de colector solar 200 es estable en la posicion ilustrada en la figura 4c debido al almacenamiento de calor latente del medio. Es decir, debido a que un medio PCM almacena una cantidad relativamente grande de energfa en calor latente, el medio no comienza a reducirse en volumen e invierte la rotacion del conjunto de colector solar 200 inmediatamente cuando el receptor 214 ya no absorbe radiacion solar concentrada. Esta condicion es beneficiosa para el seguimiento porque mantiene la posicion del conjunto de colector solar 200 en el caso de una obstruccion solar temporal (por ejemplo, nube transitoria, etc.). Cuando se despeja la obstruccion solar temporal, el conjunto de colector solar 200 enfocara de nuevo la radiacion solar sobre el receptor 214, que transfiere la radiacion absorbida como calor al medio y provoca que el conjunto de colector solar 200 rote adicionalmente en la direccion de desplazamiento solar a una nueva posicion estable (por ejemplo, angulo de incidencia de la radiacion solar a aproximadamente el angulo de aceptacion QA del conjunto de colector solar 200).

La figura 4c ilustra que el conjunto de colector solar 200 puede establecerse a una relacion de equilibro con el eje optico 318 a una posicion angular en relacion con un acimut solar actual de aproximadamente el angulo de aceptacion Qa. Es decir, a medida que el sol continua rotando a traves de su trayectoria (angulo de acimut solar generalmente creciente en el hemisferio norte), el conjunto de colector solar 200 continua rotando cuando la radiacion solar se concentra en el receptor 214. Mas particularmente, cuando el receptor 214 absorbe la radiacion solar concentrada y transfiere calor al medio, el medio continua proporcionando accionamiento mecanico que mueve el conjunto de colector solar 200 en frente del angulo de acimut solar. Como tal, el eje optico 318 del conjunto de colector solar 200 generalmente gufa el angulo de acimut solar a lo largo del dfa mediante aproximadamente el angulo de aceptacion Qa 330 del conjunto de colector solar 200.

Pueden ajustarse varios parametros de conjunto de colector solar 200 para conseguir las caracterfsticas de funcionamiento deseadas del dispositivo de seguimiento solar 110. Como se ha descrito anteriormente, caracterfsticas opticas del conjunto de colector solar 200 incluyen angulo de aceptacion Qa y relacion de concentracion C. Una alta relacion de concentracion C (aproximada por el area de abertura del colector 212 dividida por el area de superficie del receptor 214) proporciona una alta ganancia termica, que puede proporcionar recuperacion de seguimiento y/o arranque de seguimiento mas rapido. El angulo de aceptacion Qa tambien puede afectar a la recuperacion y el arranque de seguimiento del dispositivo de seguimiento solar 110. Especfficamente, nubes transitorias u otras obstrucciones solares pueden limitar el seguimiento durante un periodo de tiempo. Un angulo de aceptacion QA 330 mas amplio permite que el sol se desplace adicionalmente mientras el conjunto de colector solar 200 esta obstruido (es decir, un tiempo de obstruccion mas largo) y aun asf permite que el dispositivo de seguimiento solar 110 se recupere. Es decir, una vez que el angulo de acimut solar gufa el eje optico 318 mas alla del angulo de aceptacion Qa, el dispositivo de seguimiento solar 110 no continuara siguiendo el movimiento solar porque la rotacion de acimut solar adicional restablecera el receptor 214 para que enfoque el colector 212. Por esta

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razon, se desea generalmente un angulo de aceptacion mas amplio 0a. Sin embargo, el angulo de aceptacion 0a y la relacion de concentracion C estan relacionados generalmente de manera inversa. Es decir, disenar el conjunto de colector solar 200 para que presente un angulo de aceptacion grande 0a reduce generalmente la relacion de concentracion C y viceversa. En una realizacion, el conjunto de colector solar 200 esta disenado con un angulo de aceptacion 0a de aproximadamente 2,75° y una relacion de concentracion C de aproximadamente 15x. Con estas caracterfsticas de diseno, el dispositivo de seguimiento solar 110 puede recuperarse de una obstruccion solar temporal que dure hasta 22 minutos.

Aunque la presente descripcion describe de manera general formas de realizacion del conjunto de colector solar 200 en las que el colector 212 es un concentrador solar y el receptor 214 es un cilindro ubicado generalmente en o cerca de la lfnea focal del concentrador solar, se contemplan otras configuraciones del conjunto de colector solar 200. Por ejemplo, el colector 212 puede ser otro tipo de colector de concentracion reflectante tal como un concentrador parabolico compuesto (“CpC”), concentrador cilfndrico, hiperboloide, reflector de Fresnel, y/u otro tipo de colector de concentracion (por ejemplo, que emplea lentes, etc.). El receptor 214 tambien puede ser de una forma diferente a cilfndrica (por ejemplo, presentar una seccion transversal que es semicircular, rectangular, etc.). En formas de realizacion, el receptor 214 puede colocarse asimetricamente con respecto al colector 214. Es decir, el receptor 214 puede desplazarse del punto focal del colector de concentracion. Por ejemplo, el receptor 214 puede desplazarse de manera que el arco de aceptacion (es decir, ±0a) se desplaza del eje optico geometrico del colector. En formas de realizacion, esto puede dar como resultado que el eje optico geometrico del colector siga el angulo de acimut solar sin desplazarse por el angulo de aceptacion 0a.

Volviendo a las figuras 1a, 1b, y 2, se describen en mas detalle caracterfsticas y funcionamiento de formas de realizacion del dispositivo de seguimiento solar 110. En la forma de realizacion ilustrada en la figura 2, el receptor 214 contiene un medio de expansion termica (por ejemplo, cera de parafina), y la expansion del medio se utiliza para generar un accionamiento mecanico a traves de la utilizacion de un piston que se extiende desde el interior del receptor 214 al alojamiento principal 230.

La figura 5 ilustra un conjunto de piston para el dispositivo de seguimiento solar 110 en mas detalle, segun diversas formas de realizacion. En referencia a las figuras 2 y 5, el piston 246 se extiende desde el interior del receptor 214 a una base del alojamiento principal 230. A medida que el medio se expande (por ejemplo, la transicion de solido a lfquido de cera de parafina, etc.), la expansion del medio genera una fuerza hidraulica sobre el piston 246, que se extiende y fuerza al eje hueco 254 a extenderse fuera del alojamiento principal 230. A medida que el eje hueco 254 se extiende fuera del alojamiento principal 230, los rodillos de levas 244 engranan en perfiles 242 de desplazamiento de levas (por ejemplo, ranuras helicoidales, etc.) en el alojamiento principal 230, provocando que el collarfn de guiado 248 y el eje hueco 254 roten alrededor del piston 246. Es decir, el perfil 242 de desplazamiento de levas y los rodillos de levas 244 convierten el movimiento lineal del piston 246 con respecto a un eje hueco 254 en un movimiento simultaneo lineal y de rotacion del eje hueco 254 con respecto al alojamiento principal 230. La rotacion del eje hueco 254 tambien rota el conjunto de colector solar 200 (por ejemplo, el colector 212, el soporte de colector 211, el receptor 214, manguito 216 de receptor, los collarines 258, y/o tapa 260, etc.).

Las figuras 6a y 6b ilustran secciones transversales de componentes del dispositivo de seguimiento solar 110 en diversas configuraciones. Volviendo inicialmente a la figura 6a, se ilustra una seccion transversal del dispositivo de seguimiento solar 110 en una posicion inicial o de partida, segun diversas formas de realizacion. En esta posicion, el piston 246 se ilustra como coaxial con el receptor 214 y se extiende sustancialmente por la longitud del receptor 214. El receptor 214 tambien contiene un medio 270 (por ejemplo, material PCM, cera de parafina, etc.) en la cavidad definida mediante el receptor 214, al que transfiere energfa a medida que absorbe radiacion solar. El receptor 214 puede estar hecho de un material que absorbe radiacion solar y conduce calor al medio 270 tal como diversos tipos de metal (por ejemplo, cobre, aluminio, acero, etc.). El receptor 214 tambien puede estar recubierto con una variedad de recubrimientos (por ejemplo, recubrimiento de superficie selectivo, etc.) para aumentar su absorcion de radiacion solar.

En formas de realizacion, el conjunto de colector solar 200 incluye un manguito 216 de receptor transparente que rodea de manera general el receptor 214. El manguito 216 de receptor transparente puede ser, por ejemplo, un tubo de vidrio con un recubrimiento antirreflectante dispuesto concentricamente con el receptor 214. El manguito 216 de receptor transparente reduce las perdidas termicas del receptor 214 debido a la conduccion y/o conveccion termica. Como tal, el manguito 216 de receptor puede reducir los efectos de temperatura de aire ambiente y otros factores ambientales (por ejemplo, viento, etc.) en el funcionamiento del montaje de concentrador de radiacion solar 200. En formas de realizacion, la separacion 215 entre el receptor 214 y el manguito 216 de receptor puede llenarse con aire, un gas inerte (por ejemplo, argon, etc.), o evacuarse. Llenar la separacion 215 con un gas inerte o evacuar la separacion 215 puede reducir la conveccion y/o conduccion termica a traves de la separacion 215 cuando se compara con llenar la separacion 215 con aire.

El alojamiento sellado principal 256 conecta el receptor 214 al eje hueco 254. El eje hueco 254 esta accionado de manera deslizante con el piston 246 mediante casquillos de guiado de piston 268 y 272. El alojamiento sellado principal 256 incluye un sello 266 para sellar el medio 270 en el receptor 214 mientras permite al piston 246

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deslizarse a traves del sello 266 y el alojamiento sellado principal 256. Los casquillos de guiado de eje 250 gufan el collarfn 248 acoplado al eje hueco 254 como rodillos de levas 244, fijados al collarfn 248, se desplazan a traves de los perfiles 242 de desplazamiento de leva en el alojamiento principal 230. La elemento de sujecion del panel superior 122 puede fijarse al alojamiento sellado principal 256 para rotar el dispositivo de energfa solar 150 a medida que el alojamiento sellado principal 256 se extiende y se rota a traves de la amplitud de movimientos del conjunto de colector solar 200.

Como se ha descrito anteriormente, cuando la radiacion solar es incidente dentro de un cono angular de aceptacion, el calentamiento del medio 270 provoca presion hidraulica sobre el piston 246, que extiende el eje hueco 254. Por ejemplo, un medio PCM tal como cera de parafina puede comenzar a fundirse parcialmente a medida que el receptor 214 transfiere el calor provocado por la absorcion de radiacion solar concentrada. La rotacion resultante del conjunto de colector solar 200 provoca que el angulo de incidencia de la radiacion solar aumente, provocando finalmente que la radiacion solar ya no se enfoque sustancialmente sobre el receptor 214. Cuando esto ocurre, el receptor 214 ya no absorbe tanta radiacion ni transfiere tanta energfa adicional al medio 270. Por tanto, el medio ya no continua expandiendose. Por ejemplo, un medio PCM tal como cera de parafina puede mantener un estado en el que el medio es parcialmente lfquido y parcialmente solido. Por tanto, la fuerza ejercida por el medio 270 sobre el piston 246 se reduce, y el dispositivo de seguimiento solar 110 mantiene la posicion actual (o solo se mueve muy lentamente). Es decir, una vez que el receptor 214 no recibe energfa solar concentrada debido a que la radiacion solar incidente incide a un angulo igual a o mayor que el angulo de aceptacion Qa del colector 212, el medio 270 no se calienta activamente por la radiacion solar concentrada recibida por el receptor 214.

A medida que el sol se mueve a traves del cielo, su movimiento progresivo provoca una disminucion del angulo de incidencia de la radiacion solar con respecto al eje optico del colector. Es decir, el movimiento del sol disminuye el angulo de incidencia de la radiacion solar, mientras que la rotacion generada mediante los rodillos de levas 244 y las ranuras 242 helicoidales cuando el medio 270 ejerce fuerza sobre el piston 246 provoca un aumento en el angulo de incidencia de la radiacion solar. Por tanto, a medida que el sistema realiza el seguimiento del movimiento solar, el eje 254 continua extendiendose fuera del alojamiento principal 230 y el conjunto de colector solar 200 continua rotando a medida que el eje 254 se extiende.

En referencia a la figura 6b, se ilustra una seccion transversal del dispositivo de seguimiento solar 110 en una posicion extendida, segun diversas formas de realizacion. La posicion extendida ilustrada en la figura 6b puede corresponderse con la posicion del dispositivo de seguimiento solar 110 en las ultimas horas del dfa, cuando el sol esta en la parte oeste del cielo. La figura 6b ilustra que en la posicion extendida en las ultimas horas del dfa, el medio 270 ocupa sustancialmente mas volumen de receptor 214 del que ocupaba en la posicion inicial ilustrada en la figura 6a. Por ejemplo, la figura 6b puede ilustrar la condicion del dispositivo de seguimiento solar 110 en la que un medio PCM 270 tal como cera de parafina esta en una fase sustancialmente lfquida.

La cantidad de radiacion solar incidente comienza a reducirse a medida que el sol baja en el cielo debido a perdidas atmosfericas. En algun momento durante el dfa (por ejemplo, a ultimas horas de la tarde, noche, etc.), la radiacion solar incidente se reduce sustancialmente y ya no proporciona suficiente calor para continuar expandiendo el medio termico. El sol atraviesa entonces angulos de incidencia en los que la radiacion solar se concentra en el receptor 214, y finalmente es incidente pasado el eje optico 318 y a un angulo mayor que el angulo de aceptacion Qa del colector 212. En este caso, el eje optico 318 ya no gufa el angulo de radiacion solar incidente, y la radiacion solar ya no se enfoca en el receptor 214.

Por lo tanto, hacia el final del dfa, el dispositivo de seguimiento solar 110 esta en una posicion extendida (por ejemplo, la posicion ilustrada mediante la figura 6b) y el receptor 214 ya no recibe energfa solar concentrada. Como resultado, el medio 270 comienza a enfriarse debido a la transferencia termica a traves de diversas vfas incluyendo las perdidas radioactivas del receptor 214 y otras perdidas termicas a traves de los diversos componentes de transmision termica (por ejemplo, piston 246, etc.). A medida que el medio 270 se enfrfa, se contrae en volumen. Por ejemplo, si se utiliza cera de parafina como medio 270, vuelve al estado solido a medida que se enfrfa. A medida que el medio 270 se enfrfa, el dispositivo de seguimiento solar 110 puede emplear una variedad de medios para volver a la posicion inicial antes de la manana siguiente. Por ejemplo, el resorte 252 puede ejercer una fuerza sobre el collarfn 248, devolviendolo a la posicion ilustrada en la figura 6a a medida que el medio 270 se enfrfa. Aunque el resorte 252 se ilustra como un resorte helicoidal, el resorte 252 puede ser otro tipo de dispositivo mecanico incluyendo un resorte de gas y/u otros dispositivos de resorte mecanicos en una disposicion de tension o compresion. En otras formas de realizacion, la fuerza para devolver el conjunto de colector solar 200 a la posicion inicial se proporciona mediante el peso del conjunto de colector solar 200 y/o dispositivo de energfa solar 150. Es decir, cuando se coloca en una configuracion inclinada, el dispositivo de seguimiento solar 110 puede soportar parcialmente el peso del dispositivo de energfa solar 150. A medida que el medio se enfrfa, el peso del dispositivo de energfa solar 150 y/o el conjunto de colector solar 200 proporciona suficiente fuerza para devolver el dispositivo de seguimiento solar 110 a la posicion inicial ilustrada en la figura 6a.

Volviendo a las figuras 1a, 1b, y 2, se describe en mas detalle el funcionamiento del dispositivo de seguimiento solar 110 como sistema de energfa solar 100 que realiza el seguimiento del movimiento solar. Generalmente, la barra pivotante principal 160 puede orientarse en una direccion norte sur, e inclinarse con respecto a la horizontal a un

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angulo relacionado con el angulo de elevacion solar de la trayectoria del sol a traves del cielo en la latitud de instalacion del sistema de energfa solar 100. Tal como se ilustra en las figuras 1a, 1b, y 2, el dispositivo de energfa solar se une al conjunto de colector solar 200 mediante el elemento de sujecion 122. Por la manana, el dispositivo de energfa solar 150 se rota generalmente hacia el este alrededor del eje de rotacion definido por la barra pivotante principal 160. A medida que el sol se desplaza a traves del cielo, el dispositivo de seguimiento solar 110 rota el dispositivo de energfa solar 150 alrededor del eje de rotacion de manera que sigue generalmente el angulo de acimut del sol a lo largo del dfa. A este respecto, el sistema de energfa solar 100 representado en la figura 1 se denomina de manera general sistema de seguimiento de energfa solar de acimut inclinado, porque un angulo de inclinacion del dispositivo de energfa solar 150 esta fijado por la barra pivotante principal 160 y el dispositivo de energfa solar 150 rota alrededor de la barra pivotante principal 160 para realizar el seguimiento del acimut del sol segun se desplaza a traves del cielo durante el dfa.

Tal como se ilustra en las figuras 1a y 1b, el angulo de elevacion del sistema de energfa solar 100 puede ajustarse utilizando elementos de sujecion de inclinacion 140. El angulo de inclinacion para la configuracion de seguimiento de acimut inclinado del sistema de energfa solar 100 puede fijarse de varias maneras. Por ejemplo, el angulo de inclinacion puede determinarse mediante una elevacion solar maxima promedio a una latitud dada o seleccionada para maximizar la generacion de energfa. En formas de realizacion, el angulo de inclinacion puede ajustarse en diversos momentos a lo largo del ano utilizando elementos de sujecion de inclinacion 140.

En formas de realizacion, el dispositivo de seguimiento solar 110 se utiliza para orientar multiples dispositivos de energfa solar 150 en una configuracion en tandem. Las figuras 7a y 7b ilustran un sistema de energfa solar 700 con multiples dispositivos de energfa solar 150 que se orientan mediante un unico dispositivo de seguimiento solar 110 segun formas de realizacion de la presente invencion. Especfficamente, el dispositivo de seguimiento solar 110 se monta en uno de los multiples dispositivos de energfa solar 150 del sistema de energfa solar 700. A medida que el dispositivo de seguimiento solar 110 mueve uno de los dispositivos de energfa solar 150, el movimiento de orientacion se traslada a traves de un sistema de traslacion a otros dispositivos de energfa solar en tandem 150. Por ejemplo, el movimiento de orientacion puede trasladarse utilizando elementos de sujecion en tandem inferiores 720 conectados a barras convertidoras 710 entre los dispositivos en tandem como se muestra en el sistema de energfa solar 700. Tal como se ilustra en la figura 7b, pueden utilizarse rodillos helicoidales 730 de manera que los otros dispositivos de energfa solar en tandem 150 siguen una trayectoria de movimiento similar al dispositivo de seguimiento solar 110 (por ejemplo, movimiento helicoidal, etc.). Esto puede facilitar la traslacion del movimiento del dispositivo de seguimiento solar 110 a traves de elementos de sujecion en tandem 720 y barras convertidoras 710 con menos perdidas por friccion. De este modo, cada dispositivo de energfa solar 150 del sistema de energfa solar 700 rota alrededor de cada barra pivotante principal 160 para realizar el seguimiento del angulo de acimut del sol.

Mientras las figuras 7a y 7b ilustran una configuracion en tandem con tres dispositivos de energfa solar orientados con un dispositivo de seguimiento solar 110, es posible que el dispositivo de seguimiento solar 110 pueda accionar un gran numero de dispositivos de energfa solar en tandem en una variedad de configuraciones. Especfficamente, las grandes fuerzas hidraulicas creadas por el medio de expansion termica en el dispositivo de seguimiento solar 110 puede utilizarse para proporcionar fuerza mecanica o hidraulica para rotar dispositivos de energfa solar conectados a traves de diversos accionadores mecanicos o hidraulicos. Por consiguiente, el coste global del sistema puede reducirse debido al numero reducido de dispositivos de seguimiento requeridos para una instalacion de energfa solar dada.

Aunque las figuras 1a, 1b, 2, 5, 6a y 6b ilustran una realizacion para el dispositivo de seguimiento solar 110, el funcionamiento basico del conjunto de colector solar 200, tal como se ilustra en las figuras 3, 4a, 4b y 4c (es decir, seguimiento de acimut solar, seguimiento de elevacion solar, etc.), puede realizarse a traves de otros metodos y dispositivos. Por ejemplo, pueden utilizarse engranajes, cables, y/u otros mecanismos hidraulicos para convertir el movimiento lineal del piston en movimiento de rotacion del conjunto de colector solar 200 y el dispositivo de energfa solar 150.

Las figuras 8a y 8b ilustran un sistema de energfa solar 800 que emplea una disposicion de montaje alternativa para el dispositivo de energfa solar 150, segun diversas formas de realizacion. En el sistema de energfa solar 800, el dispositivo de energfa solar 150 esta montado en el dispositivo de seguimiento solar 110 mediante un conjunto de elemento de sujecion deslizante 822. El conjunto de elemento de sujecion deslizante 822 incluye un elemento de sujecion 852 y un vastago 856 que se montan en el conjunto de colector solar 200, y un collarfn 854 montado en el dispositivo de energfa solar 150 y accionado de manera deslizante con el vastago 856. La figura 8a ilustra un sistema de energfa solar 800 en una posicion inicial o de partida. A medida que el dispositivo de seguimiento solar 110 realiza el seguimiento del movimiento solar, el conjunto de colector solar 200 se extiende fuera del alojamiento principal 230 y rota alrededor de un eje concentrico con el alojamiento principal 230 y la barra pivotante principal 160 como se ha descrito anteriormente. En esta realizacion, el dispositivo de energfa solar 150 se rota mediante un conjunto de elemento de sujecion deslizante 822, pero debido a que el collarfn 854 esta accionado de manera deslizante con el vastago 856, el dispositivo de energfa solar 150 no se eleva mediante un conjunto de elemento de sujecion deslizante 822. Es decir, el dispositivo de energfa solar 150 no se mueve en direccion axial con respecto a la barra pivotante principal 160 en esta realizacion. En este caso, el elemento de sujecion inferior 824 rota alrededor de una barra de pivote 160, pero ademas no se mueve de manera axial con respecto a la barra de pivote 160.

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Collarines de bloqueo 826 sujetan los elementos de sujecion inferiores 824 en posicion sobre la barra pivotante principal 160.

La figura 8b ilustra componentes del sistema de energfa solar 800 en una posicion extendida mostrandose la posicion del dispositivo de energfa solar 150 mediante un contorno discontinuo. Es decir, la figura 8b ilustra un sistema de energfa solar 800 en una configuracion en la que el dispositivo de energfa solar 150 se rota mediante el dispositivo de seguimiento solar 110 a medida que realiza el seguimiento del movimiento solar a lo largo del dfa (por ejemplo, orientandose hacia el oeste por la tarde, etc.). Tal como se ilustra en la figura 8b, el conjunto de colector solar 200 se extiende fuera del alojamiento principal 230 y se rota alrededor de un eje concentrico con el alojamiento principal 230 como se ha descrito anteriormente. Sin embargo, el collarfn 854 se desliza sobre el vastago 856 a medida que el conjunto de colector solar 200 se extiende fuera del alojamiento principal 230, y por tanto, el dispositivo de energfa solar 150 rota alrededor de la barra pivotante principal 160 sin moverse en direccion axial en relacion con la barra pivotante principal 160. Al final del dfa, las fuerzas proporcionadas por el resorte 252 y/o gravedad debido al peso del conjunto de colector solar 200 provocan que el sistema de energfa solar 800 vuelva a la posicion ilustrada en la figura 8a.

La disposicion de montaje del sistema de energfa solar 800 puede utilizarse en una configuracion de seguimiento de acimut inclinado tal como se ilustra en las figuras 8a y 8b asf como en otras configuraciones (por ejemplo, horizontal, vertical, etc.). Un conjunto de elemento de sujecion deslizante 822 tambien puede utilizarse en una configuracion de panel en tandem tal como se ilustra en las figuras 7a y 7b. Debido a que el dispositivo de energfa solar 150 no se eleva mediante el conjunto de elemento de sujecion deslizante 822 en el sistema de energfa solar 800, los rodillos helicoidales 730 ilustrados en la figura 7b no son necesarios para orientar multiples dispositivos de energfa solar en una configuracion en tandem accionada mediante un unico dispositivo de seguimiento solar 110 utilizando el conjunto de elemento de sujecion deslizante 822.

La figura 9 ilustra un sistema de energfa solar 900 que emplea un dispositivo de seguimiento solar segun formas de realizacion de la presente invencion en combinacion con un sistema hidraulico convencional. Un dispositivo de seguimiento solar para el sistema de energfa solar 900 puede incluir un conjunto de colector solar 200 sustancialmente como se ha descrito anteriormente, trasladandose la fuerza hidraulica del medio 270 al fluido hidraulico que se utiliza para accionar el mecanismo de seguimiento. Especfficamente, la energfa mecanica del medio 270 puede transferirse a un sistema hidraulico convencional por medio de un piston hidraulico como se conoce en la tecnica. Una vez que la energfa mecanica se transfiere a un fluido hidraulico, puede transferirse a traves de un orificio hidraulico 922 a una lfnea hidraulica 924 y recibirse en una caja 926 de distribucion hidraulica. La energfa mecanica del sistema hidraulico puede utilizarse entonces para accionar un conjunto de seguimiento inferior 940.

Tal como se ilustra en la figura 9, el conjunto de seguimiento inferior utiliza ranuras helicoidales y los rodillos de levas para rotar el dispositivo de energfa solar 150 montado en una barra inclinada 960 para realizar el seguimiento del sol. Por consiguiente, el conjunto de seguimiento inferior 940 rota y extiende el eje 950 fuera del alojamiento de soporte 930 a medida que aumenta la presion hidraulica generada por el medio 270. Al final del dfa, la gravedad y/u otros medios provocan que el sistema de energfa solar 900 vuelva a la posicion inicial de manera que el conjunto de colector solar 200 y el dispositivo de energfa solar 150 estan orientados de nuevo generalmente hacia el este la manana siguiente. Aunque la figura 9 ilustra un modo de utilizar la presion hidraulica generada por el medio 270 para rotar el sistema de energfa solar 900, se apreciara que la presion hidraulica puede utilizarse para accionar una variedad de mecanismos para rotar, inclinar, y/o extender el dispositivo de energfa solar 150 y el conjunto de colector solar 200 para realizar el seguimiento del movimiento solar a lo largo del dfa.

La descripcion anterior se ha presentado con los propositos de ilustracion y descripcion. Ademas, la descripcion no pretende limitar las formas de realizacion de la invencion a la forma dada a conocer en la presente memoria. Aunque anteriormente se han tratado varios aspectos y formas de realizacion a modo de ejemplo, los expertos en la materia reconoceran determinadas variaciones, modificaciones, permutaciones, adiciones, y subcombinaciones de los mismos.

Los metodos dados a conocer en la presente memoria comprenden una o mas acciones para lograr el metodo descrito. Las diversas operaciones de los metodos descritos anteriormente pueden realizarse mediante cualquier medio adecuado que pueda realizar las funciones correspondientes. El metodo y/o acciones pueden intercambiarse entre sf sin alejarse del alcance de las reivindicaciones. En otras palabras, a no ser que se especifique un orden especffico de acciones, el orden y/o utilizacion de acciones especfficas puede modificarse sin alejarse del alcance de las reivindicaciones.

Otros ejemplos e implementaciones estan dentro del alcance y espfritu de la divulgacion y reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, debido a la naturaleza del software, las funciones descritas anteriormente pueden implementarse utilizando software ejecutado por un procesador, hardware, micro-instruccion, cableado ffsico, o combinaciones de los mismos. Tambien pueden ubicarse ffsicamente funciones de implementacion de caracterfsticas en diversas posiciones, incluyendo distribuidas de manera que partes de funciones se implementan en diferentes ubicaciones ffsicas. Tambien, como se utiliza en la presente memoria, incluyendo en las reivindicaciones, “o” como se utiliza en

una lista de elementos precedidos por “por lo menos uno de” indica una lista disyuntiva de manera que, por ejemplo, una lista de “por lo menos uno de A, B, o C” significa A o B o C o AB o AC o BC o ABC (es decir, A y B y C). Ademas, el termino “a modo de ejemplo” no significa que el ejemplo descrito sea preferido o mejor que otros ejemplos.

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Pueden realizarse diversos cambios, sustituciones, y alteraciones a las tecnicas descritas en la presente memoria sin apartarse de la tecnologfa de las ensenanzas tal como se define mediante las reivindicaciones adjuntas. Ademas, el alcance de la divulgacion y las reivindicaciones no se limita a los aspectos particulares del proceso, maquina, fabricacion, composicion, medios, metodos, y acciones descritos anteriormente. Pueden utilizarse 10 procesos, maquinas, fabricaciones, composiciones, medios, metodos, o acciones, que existan actualmente o se desarrollen mas adelante, que realicen sustancialmente la misma funcion o logren sustancialmente el mismo resultado que los aspectos correspondientes descritos en la presente memoria. Por consiguiente, las reivindicaciones adjuntas incluyen dentro de su alcance dichos procesos, maquinas, fabricacion, composiciones, medios, metodos o acciones.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de seguimiento solar que puede emplearse en un sistema de energfa solar, comprendiendo el dispositivo de seguimiento solar:

un colector solar que presenta un lugar geometrico focal;

un receptor solar que presenta un eje central, estando el receptor solar montado en el colector solar de manera que el eje central este sustancialmente en el lugar geometrico focal del colector solar;

un medio en comunicacion termica con el receptor solar, en el que el medio experimenta un cambio de fase de una fase solida a una fase lfquida a una temperatura predeterminada; y

un piston dispuesto parcialmente dentro del receptor solar y coaxial con el receptor solar, caracterizado por que el colector solar esta acoplado de manera giratoria a un alojamiento alrededor de un eje de rotacion y la fuerza hidraulica de la expansion del medio provocada por una radiacion solar incidente sobre el colector solar dentro de un angulo de aceptacion del colector solar provoca una fuerza sobre el piston con respecto al receptor solar para accionar una rotacion del colector solar alrededor del eje de rotacion en una direccion de desplazamiento solar.
2. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que el medio comprende cera de parafina.
3. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que la expansion del medio acciona una extension de un eje acoplado al receptor solar axialmente fuera del alojamiento concentrico con el eje.
4. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, que ademas comprende:

un eje hueco concentrico con el piston y accionado de manera deslizante con el piston, estando el eje hueco acoplado al receptor solar;

un rodillo de leva acoplado al eje; y

un alojamiento anular concentrico con el eje hueco, presentando el alojamiento un perfil de desplazamiento de leva, en el que el rodillo de leva esta accionado de manera deslizante con el perfil de desplazamiento de leva, y en el que el perfil de desplazamiento de leva y el rodillo de leva convierten el movimiento lineal del eje hueco con respecto al alojamiento provocado por la fuerza sobre el piston con respecto al receptor solar en un movimiento giratorio simultaneo del eje hueco con respecto al alojamiento anular.
5. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que el sentido de rotacion del colector solar provocado por la expansion del medio comprende un sentido de rotacion de acimut solar.
6. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que el eje de rotacion esta inclinado a un angulo de inclinacion de eje relacionado con un angulo de elevacion solar.
7. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que una proyeccion del eje de rotacion sobre la superficie terrestre esta sustancialmente en una orientacion norte-sur.
8. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, que ademas comprende una envolvente de receptor transparente concentrica con el receptor solar y separada de la superficie externa del receptor solar por una separacion.
9. Dispositivo de energfa solar segun la reivindicacion 1, en el que el colector solar comprende un concentrador solar.
10. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que el medio presenta una entalpfa de fusion superior a 200 Julios por gramo.
11. Dispositivo de seguimiento solar segun la reivindicacion 1, en el que el medio se expande aproximadamente del 10 al 20 por ciento a medida que pasa de la fase solida a la fase lfquida.
12. Metodo de seguimiento solar, que comprende:

concentrar la radiacion solar incidente con un colector solar, enfocando el colector solar la radiacion solar incidente que presenta un angulo de incidencia dentro de un angulo de aceptacion del colector solar en un lugar geometrico focal del colector solar;

absorber la radiacion solar concentrada en un receptor solar que esta dispuesto sustancialmente en el lugar geometrico focal del colector solar;

transferir energfa de la radiacion solar concentrada absorbida mediante el receptor solar a un medio, 5 expandiendose el medio al aumentar la temperature del medio, experimentando el medio un cambio de fase de

una fase solida a una fase lfquida a una temperatura predeterminada; y

accionar, basandose en la fuerza hidraulica de la expansion del medio, un piston dispuesto parcialmente dentro del receptor solar y coaxial con el receptor solar para provocar una rotacion del colector solar en una direccion de 10 desplazamiento solar.
13. Metodo segun la reivindicacion 12, que ademas comprende devolver el colector solar a una posicion inicial despues de un final de un periodo de seguimiento por lo menos parcialmente mediante una fuerza gravitacional sobre el medio.

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14. Metodo segun la reivindicacion 12, que ademas comprende devolver el colector solar a una posicion inicial despues de un final de un periodo de seguimiento por lo menos parcialmente mediante una fuerza de resorte mecanico.

20 15. Metodo segun la reivindicacion 12, en el que el medio se expande aproximadamente del 10 al 20 por ciento a

medida que pasa de la fase solida a la fase lfquida.