ES2713799A1

ES2713799A1 - Concentrador giratorio de la radiación solar

Info

Publication number: ES2713799A1
Application number: ES201900035A
Authority: ES
Inventors: Penalosa José María Martinez-Val
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: ES2713799B2; WO2020178464A1

Abstract

Concentrador giratorio de la radiación solar. El presente concentrador giratorio de la radiación solar (20) se dispone paralelo a los ejes (18) de los espejos (1), de forma que la radiación solar (20) incide perpendicularmente a dichos ejes (18), por lo cual el conjunto completo de plataforma giratoria (2, 10), los espejos (1) y receptor (7) giran para mantener dicha perpendicularidad, y además cada espejo (1) gira alrededor de su eje específico (18), de tal manera que la normal al espejo (1) coincide siempre con la bisectriz del ángulo que forman el rayo solar (20) incidente en el punto central de la sección recta del espejo (1), y la recta que va desde dicho punto central al punto central, en la misma sección recta, de la línea focal del receptor (7).

Description

DESCRIPCION

Concentrador giratorio de la radiacion solar.

Sector de la tecnica

La presente invention pertenece al sector de la generation de energla.

Mas en particular, la presente invencion se encuadra en el campo de las centrales de energla solar que requieren concentration de la radiacion solar directa, siendo dicha radiacion reflejada por una pluralidad de espejos, y concentrada a lo largo de un eje focal, o un volumen focal alargado. En dichas centrales solares, los espejos estan habitualmente sustentados en una estructura que gira siguiendo el desplazamiento del sol en la boveda celeste.

Antecedentes de la invencion

En el estado de la tecnica se conocen diversos concentradores de la radiacion solar, provistos de una pluralidad de espejos, que se sustentan en una estructura de soporte, capaz de girar siguiendo al Sol.

En las patentes ES2537607 B2 y ES 2578804 B2, del mismo solicitante, se dan ejemplos de concentradores de radiacion solar como los mencionados anteriormente. En dichas patentes, las estructuras de sustanciacion de los espejos solo son capaces de girar segun un unico eje de giro.

Existen ademas varios documentos del propio solicitante, tales como las patentes ES2346629, ES2345759. ES2345427 y ES2396078, que divulgan diversas configuraciones para aprovechar el efecto de reflexion optica, con objeto de hacer incidir radiacion de alta intensidad sobre un receptor.

Un tipo particular de concentradores de radiacion solar es el de los concentradores rotatorios, que se aplica generalmente a estructuras de sustentacion de espejos con dos ejes de giro perpendiculares entre si, como es el caso de los espejos paraboloides de revolution descritos, por ejemplo, en el documento WO 2005/124245 A2. Tambien existen concentradores en los cuales lo que gira es una plataforma con un montaje Fresnel o un montaje de espejos parabolicos independientes, con llnea focal propia, pero paralelos entre si. Ejemplos de este tipo de concentradores se dan en los documentos ^wO 2002/097341 A1, WO 2007/109901 A1 y WO 2009/121174 A1.

5 Todos ellos, y especialmente este ultimo tratan de concentradores de la radiacion solar en los que el concentrador gira en sentido acimutal y, ademas, la estructura de sustentacion gira en inclination, para seguir mas certeramente la trayectoria solar, y el astro Sol ha de encontrarse siempre en el plano vertical de simetrla de los dos semicampos de espejos, y los ejes de los espejos son paralelos a dicho plano de simetrla.

En la presente invencion, el dispositivo gira en sentido acimutal, pero el astro Sol permanece en un plano que es perpendicular a los ejes de los espejos.

Problema tecnico a resolver

La presente invencion esta destinada a concentrar la radiacion solar sobre un receptor alargado, que corresponde a un pequeno volumen alrededor de una llnea focal, y conseguir que dicha concentracion alcance altas densidades superficiales de potencia termica, en la superficie del receptor.

El problema tecnico a resolver con esta invention es definir una geometrla adecuada de todos los elementos intervinientes, y las relaciones entre ellos, usando todas las propiedades de optica geometrica que sean pertinentes.

Explication de la invencion

Un primer objeto de la presente invencion se refiere a un concentrador giratorio de la radiation solar, configurado para concentrar la reception de la radiacion solar en una llnea focal de un receptor, que comprende:

- una pluralidad de espejos de forma rectangular abovedada, estando cada uno de dichos espejos provisto de:

^o una section recta de forma parabolica o de arco circular; y

^o un radio de curvatura, siendo dicho radio de curvatura igual al doble de la distancia desde el eje del espejo a la llnea focal de recepcion de la radiacion solar;

- unas estructuras de giro provistas en cada uno de los espejos, teniendo cada una de dichas estructuras de giro, un eje horizontal de giro que discurre entre una pareja de tetones dispuestos en extremos contrarios de cada uno de los espejos;

- una plataforma giratoria, configurada para girar a lo largo de un eje de giro vertical rectillneo constante;

- una estructura de soporte de la pluralidad de espejos, estando fijada dicha estructura de soporte a la plataforma giratoria, de modo que es capaz de girar solidariamente con dicha plataforma giratoria, estando provista dicha estructura de soporte de al menos una sujecion a la plataforma y de un conjunto de bujes en los que estan embebidos cada una de las parejas de tetones unidos mecanicamente a los espejos; y

- un sistema de avance de giro, solidario a los ejes de giro de los espejos y configurado para rotar todos los ejes de giro de los espejos con la misma velocidad angular, caracterizado porque:

- los espejos estan montados en paralelo entre si, siendo la separation entre dos ejes contiguos mayor que la suma de las semianchuras de cada espejo:

- la pluralidad de espejos conforma una disposition cuadrangular, que se asienta sobre la plataforma giratoria;

- los ejes de giro de los espejos estan dispuestos en un mismo plano,

- la llnea focal de recepcion de la radiacion solar esta dispuesta de forma paralela a los ejes de los espejos, y situada por encima de los mismos;

- la pluralidad de espejos esta provista ademas de un plano de simetrla vertical, perpendicular a los ejes de giro de los espejos que gira solidariamente con la plataforma, de tal forma que contiene al astro Sol; y

- y la velocidad angular impartida por el sistema de avance de giro a los ejes de los espejos es la mitad de la velocidad angular aparente del desplazamiento de la radiacion del Sol en el plano de simetrla.

En una realization de la invention, la plataforma giratoria se apoya sobre ruedas que discurren a lo largo de al menos una pista de rodadura.

Preferiblemente, dicha pista de rodadura tiene forma de corona circular y esta provista en la cara interior de la plataforma giratoria y, ademas, las ruedas estan provistas de unas horquillas de sujecion fijadas al suelo, de forma que dichas ruedas quedan dispuestas hacia arriba, y se desplazan hasta una cota maxima que esta situada a la misma altura para cada una de las ruedas.

La plataforma giratoria tiene, preferiblemente, una forma circular. Ademas, dicha plataforma puede estar opcionalmente provista de brazos en mensula, unidos a la estructura de soporte. El plano en el que estan dispuestos los ejes de giro de los espejos puede ser un plano horizontal, paralelo a la pista de rodadura de la plataforma giratoria o, alternativamente, es un plano inclinado.

En una realizacion preferida de la invencion, los ejes de giro de los espejos estan contenidos en un plano inclinado, estando ademas dichos ejes tanto mas altos, respecto del plano horizontal, cuanto mas lejos quedan del borde exterior del espejo que ocupa la position del perihelio (o en otras palabras, la posicion mas cercana al sol).

La proyeccion sobre el plano horizontal de la llnea focal de reception de la radiacion coincide -preferiblemente- con el perihelio o, alternativamente, con el borde opuesto, denominado afelio. Tambien puede coincidir con cualquier llnea paralela al perihelio o al afelio.

En una realizacion preferida de la invencion, el sistema de giro del concentrador usa la sombra de una regleta emplazada en el afelio del plano de simetrla, para discriminar si la plataforma va por delante o por detras del Sol en la proyeccion acimutal de su trayectoria.

En la presente invencion, el angulo de giro que tiene en cada momento cada espejo, corresponde a la prescription de que la normal al espejo en su punto central, de su section recta, coincide con la bisectriz del angulo formado por el rayo solar incidente en dicho punto central, y la visual desde dicho punto a la llnea focal del receptor.

La invencion se centra pues en la geometrla optica de concentration por reflexion, y puede ser aplicable tanto a usos termosolares como fotovoltaicos.

Para darle una curvatura adecuada a los espejos del concentrador segun la presente invencion, pueden utilizarse procedimientos ya conocidos, que forma parte del estado de la tecnica. Algunos de estos procedimientos se mencionan en las patentes citadas en los Antecedentes. El problema de colimacion del dispositivo concentrador apuntando al astro Sol, as! como el problema de la traction de la plataforma en sincronla con el movimiento azimutal de la proyeccion horizontal del movimiento solar se resuelven utilizando procedimientos y dispositivos ya conocidos, algunos de los cuales tambien se divulgan en las patentes ya citadas anteriormente.

La presente invencion no describe expresamente como enfocar adecuadamente durante el seguimiento del astro Sol porque en la tecnica ya existen mecanismos conocidos y disponibles comercialmente, disenados especlficamente para este fin. El concentrador segun la presente invencion puede estar opcionalmente provisto de uno de tales mecanismos de enfoque. En este sentido son relevantes las patentes ES 2325975 (B2) sobre un colimador solar, y ES 2356221 (B2) sobre los mecanismos de giro de espejos paralelos, para un enfoque adecuado. En funcionamiento, el dispositivo se gira segun la prescription de que la radiation solar incida de manera perpendicular a los ejes de los espejos, y ademas cada espejo es girado, alrededor de su eje especlfico, de tal manera que la normal al espejo coincida siempre con la bisectriz del angulo que forman el rayo solar incidente en el punto central de la section recta del espejo, y la recta que va desde dicho punto central al punto central, en la misma seccion recta, de la llnea focal del receptor.

Explication de las figuras

La figura 1 corresponde a un alzado transversal del dispositivo concentrador giratorio de la radiacion solar segun la invention, en la que se aprecia la plataforma, soportada en dos trenes de ruedas, y que soporta el conjunto de dobles patas que soportan los espejos mediante los tetones encajados en sus bujes.

La figura 2 representa una vista en planta del conjunto de espejos, sobre dos pistas de rodadura, mas el receptor, que es paralelo a los espejos, y ocupa el borde por donde llega la luz solar.

La figura 3 representa un alzado frontal del dispositivo concentrador giratorio de la radiacion solar segun la invencion, por la parte en la que se ubica el receptor, con el marco mecanico que lo soporta.

Para facilitar la comprension de las figuras de la invencion, y de sus modos de realization, a continuation se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1. Espejos de concentration.

2. Estructura superior de la plataforma.

3. Ruedas del tren exterior de la plataforma.

4. Pista de rodadura exterior.

5. Ruedas del tren de ruedas interior.

6. Pista de rodadura interior.

7. Receptor.

8. Colector de entrada al receptor, si es de naturaleza termosolar. Si el receptor es fotovoltaico, en vez de conductos colectores, habra cables de evacuacion de la potencia electrica generada.

9. Colector de salida del receptor.

10. Viga travesera de la plataforma.

11. Pilar de sujecion del receptor, 7, correspondiente al canal de entrada, al colector 8. 12. Pilar de sujecion del receptor, 7, correspondiente al canal de salida, al colector 9.

13. Conducto de entrada, al colector 8.

14. Conducto de salida, del colector 9.

15. Eje vertical de giro del concentrador giratorio.

16. Tirantes de rigidez para mantener en su posicion el receptor.

17. Tetones en cada extremo de un eje de espejo, que se encastran en los bujes de sujecion.

18. Ejes de giro de cada espejo, que en sus extremos se materializan en los tetones 17. 19. Dobles patas de sujecion de los bujes en los que se encastran los tetones de giro de los espejos.

20. Radiacion solar.

21. Plano vertical de simetrla, perpendicular a los ejes de los espejos y al receptor 7.

22. Llnea del perihelio, que es el borde del campo de espejos mas cercano a la posicion del astro Sol.

23. Llnea del afelio, que es el borde opuesto al perihelio, y por tanto el mas alejado a la posicion del astro Sol.

Modo preferente de realizacion de la invencion

Para materializar la invencion es preciso disponer de una plataforma giratoria sobre la cual instalar el conjunto de espejos longitudinales paralelos, en una direction dada, formando sus ejes un plano virtual, horizontal o inclinado, siendo este el caso representado en la figura 1. En ella, junto a los espejos (1) un elemento crucial es el receptor (7). Lo demas son elementos de apoyo; aunque hacen falta para dar viabilidad flsica a la geometrla usada para concentrar la radiacion.

Una gran ventaja de esta invencion respecto de las patentes ES2537607 B2 y ES 2578804 B2 es que con este nuevo dispositivo no se producen perdidas longitudinales de radiacion reflejada. En los montajes previos, debido a la inevitable inclination de la trayectoria de impacto de los rayos solares sobre los espejos, se produce una importante fuga de radiacion, que impactarla sobre la llnea focal mucho mas alla del punto en que flsicamente acaba el receptor, lo cual significa una doble consecuencia: economicamente, el rendimiento de captation se resiente, pues hay radiacion que se pierde; lo cual ademas reviste un riesgo flsico nada pequeno, pues la radiacion solar concentrada puede producir danos muy severos, particularmente en la vista.

La gran ventaja de esta nueva invencion, por lo que a esto concierne, es que no hay perdidas en ninguna direccion, y mas aun, todo el sistema se puede encajonar completamente, para protection ante reflejos accidentales, quedando solo abierta la zona por donde ha de entrar la radiacion solar directa (20). No obstante, este blindaje es en si mismo secundario, en comparacion con la estructura descrita en la invencion, que es una manera idonea de maximizar la captacion de la energla solar, con un metodo robusto, sencillo y eficiente.

Las prescripciones para dimensionar los espejos, y en particular, darles la curvatura adecuada, son las mismas que las dadas en los antecedentes senalados. Lo mismo cabe decir de la colimacion del enfoque al astro Sol, los mecanismos de tracking, y la traccion (electrica) para girar la plataforma y todo lo que lleva encima o asociado a ella, sobre todo: espejos y receptor. La ejecucion de la plataforma puede hacerse de una pluralidad de maneras, por lo que los elementos 2, 3, 4, 5, 6 y 10 pueden configurarse de otras maneras, sin merma de funcionalidad de la invencion.

Lo mismo cabe decir del receptor (7) que ademas puede ser de dos naturalezas distintas, e incluso mezcla de ellas: fotovoltaica y termosolar. En el primer caso, solo hace falta conectar, mediante cables, las celulas o fotodiodos del receptor, con la red externa, a traves de un contacto que puede emplazarse subterraneamente, en el eje virtual de giro. En aplicaciones termosolares, es necesario, tal como se representa en las tres figuras, hay que contar con un colector de entrada y otro de salida, y se puede recurrir a una doble conexion concentrica en la parte subterranea del eje vertical, como la presentada en la patente ES 2504916 (B2) que plantea una solucion para unir tubos rotatorios con tubos fijos. Los colectores 8 y 9, y los conductos 13 y 14, serlan necesarios en las aplicaciones termosolares, para canalizar el fluido calorlfero, que se llevarla el calor util captado en el receptor, por cuyo interior fluirla este fluido. Lo que si es propio de la invention es la position relativa del receptor respecto del campo de espejos, lo cual se define esencialmente por dos valores: la altura del receptor respecto de la altura del eje mas bajo del espejo de menor cota, lo cual se denota con H, y la posicion de la proyeccion del receptor sobre el plano virtual formado por los ejes de los espejos, que se denomina F, y se debe poner en relation con la profundidad del campo de espejos, denominada P. Transversalmente, los espejos tendran una longitud L, que sera la distancia entre las caras internas de los bujes de los tetones (17) de los espejos.

La superficie de espejos sera aproximadamente PxL, y la potencia termica recibida en bruto en el campo de espejos sera el producto PL por la intensidad de la radiation solar directa, I (W/m2) y por el coseno del angulo que forman la radiacion solar en cuestion, y la normal al plano virtual de ejes de espejo. Esa radiacion, sin embargo, no tiene en cuenta el angulo real de giro que cada espejo tiene que tener para producir un enfoque perfecto. La normal al espejo en el punto central (eje) de su section recta, ha de coincidir con la bisectriz del angulo formado por el rayo solar incidente en ese punto, y la visual desde ese punto al punto central de la seccion recta del receptor.

Esta explication es importante para poder evaluar con precision la potencia termica de la radiacion interceptada por el conjunto de los espejos, pues la potencia anteriormente definida, no tenia en cuenta que hay que calcular la potencia reflejada espejo a espejo, con el angulo de incidencia que corresponde a cada espejo, para que su reflexion enfoque sobre la llnea focal del receptor.

Procede efectuar un calculo representativo de esa reflexion enfocada, con un ejemplo normalizado, con H=P=1, subdivido el campo en 10 espejos consecutivos, con anchura de 0,1 cada uno.

Se considera campo de espejos horizontal, y la radiacion incidiendo con un angulo de 30° respecto del eje vertical local.

La posicion del receptor se marca por el valor de F. Con F=0, el receptor esta en la posicion que se denomina de perihelio, que es la representada en la figura 1. Por el contrario, F=1 significa posicion de afelio para el receptor.

En la tabla siguiente se da el resultado, en condiciones de reflexion ideales, de la eficiencia de interceptacion y reflexion, para diversas posiciones del receptor (diversos valores de F).

Se aprecia que la mejor posicion es la de perihelio, y de ahl que se seleccionara para presentar la invencion.

Por otro lado, es interesante notar que la eficiencia de interceptacion disminuye poco al reducir la altura H, como se ve en la tabla siguiente (recordando que en lo anterior, H/P=1).

Es importante senalar que en el calculo realizado, no se han tenido en cuenta sombras en la radiacion producidas por un espejo sobre el siguiente, lo cual depende de la anchura real del espejo, y realmente es el factor limitativo, junto con los bloqueos de radiacion reflejada, que hace el espejo anterior. En este caso, se evalua solo el efecto geometrico ideal de la reflexion, y como tal ideal, es muy cercano a 1; y en particular sirve para identificar la 15 ubicacion del perihelio como la mas adecuada.

Una vez descrita de forma clara la invencion, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invencion.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Concentrador giratorio de la radiacion solar, configurado para concentrar la recepcion de la radiacion solar (20) en una linea focal de un receptor (7) y que comprende:

- una pluralidad de espejos (1) de forma rectangular abovedada, estando cada uno de dichos espejos (1) provisto de:

^o una seccion recta de forma parabolica o de arco circular; y

^o un radio de curvatura, siendo dicho radio de curvatura igual al doble de la distancia desde el eje del espejo a la lmea focal de recepcion de la radiacion solar (20);

- unas estructuras de giro provistas en cada uno de los espejos (1), teniendo cada una de dichas estructuras de giro, un eje horizontal de giro (18) que discurre entre una pareja de tetones (17) dispuestos en extremos contrarios de cada uno de los espejos (1);

- una plataforma giratoria (2, 10), configurada para girar a lo largo de un eje de giro (15) vertical rectilmeo constante;

- una estructura de soporte (19) de la pluralidad de espejos (1), estando fijada dicha estructura de soporte a la plataforma giratoria (2, 10), de modo que es capaz de girar solidariamente con dicha plataforma giratoria (2, 10), estando provista dicha estructura de soporte (19) de al menos una sujecion a la plataforma (2, 10) y de un conjunto de bujes en los que estan embebidos cada una de las parejas de tetones (17) unidos mecanicamente a los espejos (1); y

- un sistema de avance de giro, solidario a los ejes de giro (18) de los espejos (1) y configurado para rotar todos los ejes de giro (18) de los espejos (1) con la misma velocidad angular,

caracterizado porque:

- los espejos (1) estan montados en paralelo entre si, siendo la separacion entre dos ejes contiguos mayor que la suma de las semianchuras de cada espejo (1);

- la pluralidad de espejos (1) conforma una disposition cuadrangular, que se asienta sobre la plataforma giratoria (2, 10);

- los ejes de giro (18) de los espejos (1) estan dispuestos en un mismo plano,

- la lmea focal de recepcion de la radiacion solar (20) esta dispuesta de forma paralela a los ejes de giro (18) de los espejos (1) y situada por encima de los mismos;

- la pluralidad de espejos (1) esta provista ademas de un plano de simetria vertical (21), perpendicular a los ejes (18) de giro de los espejos (1) que gira solidariamente con la plataforma (2, 10), de tal forma que contiene al astro Sol; y

- y la velocidad angular impartida por el sistema de avance de giro a los ejes de giro 5 (18) de los espejos (1) es la mitad de la velocidad angular aparente del desplazamiento de la radiacion del Sol en el plano de simetria (21).

2. Concentrador segun la reivindicacion 1, en el que la plataforma giratoria (2,10) se apoya sobre ruedas (3, 5) que discurren a lo largo de al menos una pista de rodadura (4, 6).

3. Concentrador segun la reivindicacion 2, en el que dicha pista de rodadura (4, 6) tiene forma de corona circular y esta provista en la cara interior de la plataforma giratoria (2, 10), estando ademas las ruedas (3, 5) provistas de unas horquillas de sujecion fijadas al suelo, configuradas de forma que dichas ruedas (3, 5) quedan dispuestas hacia arriba y se desplazan hasta una cota maxima que esta situada a la misma altura para cada una de las ruedas (3, 5).

4. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la plataforma giratoria (2, 10) tiene una forma circular.

5. Concentrador segun la reivindicacion 4, en el que la plataforma giratoria (2, 10) esta provista de brazos en mensula, unidos a la estructura de soporte (19).

6. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el plano en el que estan dispuestos los ejes de giro (18) de los espejos (1), es un plano horizontal, paralelo a la pista de rodadura de la plataforma giratoria.

7. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el plano en el que estan dispuestos los ejes de giro (18) de los espejos (1), es un plano inclinado.

8. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los ejes de giro (18) de los espejos (1) estan contenidos en un plano inclinado, estando ademas dichos ejes (18) tanto mas altos respecto del plano horizontal, cuanto mas lejos quedan del borde exterior del espejo (1) que ocupa la posicion del perihelio.

9. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la proyeccion sobre el plano horizontal de la llnea focal de recepcion de la radiacion coincide con el perihelio (22).

10. Concentrador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la proyeccion sobre el plano horizontal de la llnea focal de recepcion de la radiacion coincide con cualquier llnea paralela al perihelio (22).