ES2760915T3 - Colector de energía solar térmica de estado solido - Google Patents

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Braden Eric Hines
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Russ Neff
Christian T Gregory
John Terry Bailey
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Abstract

Un sistema para recibir, transferir y almacenar energía solar térmica, que comprende: un colector de energía solar concentrada (13); un conducto de transferencia de luz (23); un material de almacenamiento térmico (3); Y un recipiente aislado (5), el recipiente aislado (5) que contiene el material de almacenamiento térmico (3), el conducto de transferencia de luz (23) que está configurando para transferir la energía solar recogida por el colector de energía solar (13) al material de almacenamiento térmico a través de una pared del contenedor aislado, donde el conducto de transferencia de luz (23) incluye: un puerto de entrada que recibe la energía solar; un puerto de salida (27) próximo al material de almacenamiento térmico, y en el que el conducto de transferencia de luz (23) está configurado para transmitir la energía solar sustancialmente sin pérdidas e irradiar la energía solar al material de almacenamiento térmico (3) a través del puerto de salida (27).

Description

DESCRIPCIÓN
Colector de energía solar térmica de estado solido
Campo recolección
La invención se refiere en general al campo de la energía solar, específicamente a la energía solar térmica. El calor solar que se recolecta que puede usarse directamente como calor o para generar electricidad. La invención también se refiere en general al campo del almacenamiento de energía solar.
Antecedentes
El campo de la energía solar térmica está bien establecido en la técnica anterior. En un tipo de esta tecnología una forma, los colectores y receptores solares se organizan en los llamados sistemas de energía solar de concentración (CSP). Los sistemas de c Sp tradicionalmente involucran grandes conjuntos de espejos que reflejan el sol a un punto focal o fila, donde se utiliza la intensa luz solar concentrada para calentar el fluido. Los sistemas que enfocan la luz a un punto se conocen generalmente como sistemas de "torre de potencia" o simplemente "torre", en referencia a la torre alta que soporta el colector de energía en el foco de la matriz de espejos. Los sistemas que enfocan la luz en una fila se conocen generalmente como sistemas de "canales parabólicos", ya que los espejos de largos enfoque lineal se parecen a grandes canales.
En algunos sistemas, este fluido (típicamente agua, que se convierte en vapor) se usa directamente para producir energía eléctrica. Esto se logra a menudo utilizando vapor para hacer girar una turbina que acciona un generador. En otros sistemas, un fluido intermedio se calienta y luego se usa para producir energía, al igual que se usa el fluido caliente para producir vapor. También se conocen otros enfoques, como el uso del calor para producir aire muy caliente que impulsa una turbina de gas.
En algunos casos, el fluido intermedio se almacena en un tanque para su uso posterior. A modo de ejemplo, hay sistemas comerciales en funcionamiento hoy en día que utilizan sal fundida como fluido de transferencia de calor y almacenan la sal calentada en tanques grandes, hasta que se desea la producción de energía, lo que proporciona la capacidad de almacenar la energía solar recolectada. Energía para usar en un momento posterior.
Otro enfoque menos utilizado para generar electricidad a partir de energía solar térmica se llama chimenea solar. En su forma tradicional, comprende una chimenea en comunicación fluida con un invernadero que lo rodea. El invernadero está abierto alrededor de su perímetro exterior y sirve como entrada de aire. La luz del sol calienta el suelo debajo del invernadero, hace que el aire fluya hacia la chimenea y luego hacia arriba, impulsado por convección natural. Las turbinas eólicas colocadas en la base o dentro de la chimenea se utilizan para generar electricidad.
Hay un ejemplo bien publicitado de almacenar la energía solar directamente en un sólido. La compañía australiana Graphite Energy ha demostrado un sistema que utiliza un campo de espejos para calentar un gran bloque central de grafito, que pesa muchas toneladas, que se encuentra en la parte superior de una torre elevada. Los espejos se enfocan en la parte inferior del bloque de grafito. La gran masa térmica del bloque de grafito significa que se puede utilizar para almacenar energía al igual que los tanques de sal fundida en otras plantas de CSP. Hay tuberías que atraviesan el bloque de grafito para permitir que la energía se transfiera a un fluido de transferencia de calor o de trabajo (que fluye a través de las tuberías) cuando se desea la producción de energía.
Del mismo modo, los sistemas de energía solar térmica a nivel residencial y comercial también son muy comunes bien conocidos, y se utilizan con mayor frecuencia para calentar agua. Los sistemas residenciales generalmente incluyen un tanque grande y bien aislado para contener el agua caliente, ya que, aunque la recolección de energía se realiza principalmente durante el día, el agua caliente se usa generalmente en la mañana. Este tanque puede aumentar considerablemente el coste del sistema.
Como norma general, los sistemas comerciales y residenciales comercializados actualmente se basan en el calentamiento de un líquido. Si se desea almacenamiento, el líquido calentado se almacena en un tanque.
Lamentablemente, los tanques de almacenamiento y las tuberías, válvulas, bombas y controles asociados agregan costes a los sistemas residenciales / comerciales y de escala de servicios públicos. Además, estas bombas, válvulas, tanques y tuberías pueden ser costosas, especialmente en sistemas a escala de servicios públicos donde las temperaturas son muy altas y los materiales algo exóticos. (Una bomba capaz de bombear de forma fiable sal fundida a 540C no es un elemento común, y muchos de los tanques y tubos para uso con sal fundida tiene que ser de acero inoxidable caro que es capaz de soportar altas temperaturas.)
La energía solar de concentración (CSP) usando la sal fundida utiliza este fluido como fluido de transferencia de calor, que transporta la energía térmica del receptor, y como material de almacenamiento, que almacena la energía térmica para su uso posterior. Si bien esto puede parecer un uso eficiente de un recurso, la combinación de estas funciones en un material común termina arriesga en el desempeño de ambas funciones de manera eficiente.
Sería beneficioso tener un sistema en el que los materiales distintos, que se elijan específicamente para cada función, realicen las funciones de transferencia de calor y almacenamiento de energía, permitiendo que cada uno desempeñe su función de manera más eficiente.
Asimismo, sería deseable poder almacenar energía sin tener que manejar líquidos. El sistema Graphite Energy ha abordado esto proporcionando un bloque muy grande de grafito muy grande. Sin embargo, un bloque tan enorme de grafito es en sí mismo un elemento exótico, y hay un gasto sustancial involucrado en la construcción de una torre capaz de soportar el bloque, y en la fabricación del bloque con tuberías empotradas para permitir la extracción de calor. Otro inconveniente de este sistema es que no es extensible a grandes campos solares, ya que solo los espejos que están cerca del bloque de grafito tienen una clara visión del fondo del bloque.
Sería ventajoso contar con un sistema que proporcionara las ventajas del almacenamiento de energía en estado sólido, sin requerir que el material sólido esté en una forma exótica o se coloque tan alto en el aire.
Un intento de proporcionar un sistema alternativo ha sido incrustar tuberías en bloques de grafito u hormigón ubicados en el suelo, como los sistemas de NEST (tuberías en bloques de hormigón) o de RAPS Systems (tuberías en bloques de grafito). En estos sistemas, la recolección de calor tiene lugar lejos del sistema de almacenamiento y el calor se canaliza al medio de almacenamiento. Un sistema de este tipo sufre naturalmente de pérdidas durante la absorción de calor, el transporte, la inyección y la extracción, y existe un costo significativo en el despliegue de un sistema cuya única función es el almacenamiento de energía (a diferencia en comparación con los sistemas como la sal fundida CSP que hacen doble uso de la sal fundida como un fluido de transferencia de calor y un medio de almacenamiento de energía).
Se han propuesto otros sistemas de la técnica anterior que utilizan haces de fibras ópticas para transportar la luz solar concentrada a través de una distancia a una ubicación remota donde el haz se une con otros haces para calentar un material de almacenamiento, como la sal fundida. Sin embargo, estos paquetes de fibra son muy caros. Una solución que podría eliminar el transporte a larga distancia de la luz solar concentrada podría ayudar a reducir este coste.
Otros sistemas de la técnica anterior han enseñado la tecnología de las camas de guijarros para el almacenamiento de energía. En un sistema típico, la energía se recolecta y se transfiere a un fluido de transferencia de calor gaseoso, típicamente aire (a menudo presurizado) o quizás nitrógeno. El aire caliente luego se fuerza a través de la cama de guijarros, calentando los guijarros. Posteriormente, cuando se desea la extracción de energía, el aire ambiente es forzado a través del lecho de guijarros, calentándose en el proceso. El aire caliente se puede usar para hacer girar una turbina de gas, crear vapor o impulsar un motor Stirling.
Sin embargo, los sistemas de lecho de guijarros tienden a ser difíciles de trabajar. Entre otras cosas, tales sistemas generalmente operan a presiones muy por encima de la temperatura ambiental, y existe una pérdida de energía considerable al forzar aire denso y presurizado a través de los guijarros, y existe una buena cantidad de coste en el recipiente de presión y en las tuberías para entregar el aire presurizado. a la cama. Sería deseable un enfoque más eficiente para almacenar y recuperar energía solar de tal material sólido.
Del mismo modo, para los sistemas domésticos y comerciales, sería deseable contar con un sistema que pudiera proporcionar agua caliente a demanda disponible sin necesidad de tuberías adicionales ni tanques grandes.
Si el calor que se produce y almacena es de una temperatura suficientemente elevada, que también se puede usar de manera eficiente para generar electricidad, en lugar de, o además de, usarse simplemente para calentar. Un ejemplo de un generador útil para emparejar con un sistema de este tipo es un motor Stirling. Los colectores solares térmicos típicos de escala residencial y comercial no calientan su agua a temperaturas suficientemente elevadas como para ser utilizados para la producción de electricidad rentable. Una producción eficiente requeriría calentar el agua a temperaturas superiores a 100 ° C, lo que significa que se requeriría una caldera o un sistema de agua a alta presión, lo que agregaría demasiado al coste.
Por lo tanto, sería beneficioso tener un sistema de captación de energía solar térmica a nivel residencial o comercial que pudiera producir y almacenar calor a temperaturas superiores a 100°C en un medio distinto al agua.
Algunas compañías (por ejemplo, Glasspoint) están usando energía solar térmica para ayudar en la extracción de combustibles fósiles. El uso de calor para ayudar a extraer combustibles fósiles del suelo se llama recuperación asistida del petróleo (EOR). Sin embargo, los sistemas existentes solo funcionan cuando hay sol. Sería beneficioso poder proporcionar calor instantáneamente disponible para estas operaciones.
Algunas operaciones, como la recuperación de petróleo y la explotación minera fuera de la red, desean tener generación de energía portátil. Los dispositivos de energía solar disponibles actualmente no tienden a ser portátiles. Sería deseable contar con generación y almacenamiento de energía solar que sea portátil, para ayudar a satisfacer estas necesidades.
Los documentos WO 2007/058834 A2, US 2011/0067687, y WO 2009/158177 A1 describen dichos sistemas para recibir transferencia y almacenar energía solar térmica. Los ejemplos descritos en las realizaciones a continuación no definen la invención.
Sumario
La invención se refiere a un sistema para recibir, transferir y almacenar energía solar térmica cercana compuesto por un material en estado sólido. Mientras que la aplicación de la invención aquí descrita se presenta en los contextos de los sistemas solares térmicos domésticos y de la concentración de energía solar, el aparato y los métodos son generalmente aplicables a cualquier sistema en el que sea deseable almacenar grandes cantidades de calor en un volumen pequeño, para su uso posterior.
A partir de la descripción anterior, se puede ver que los sistemas CSP actuales a escala de servicios públicos con almacenamiento sufren numerosos problemas que tienden a hacerlos difíciles o costosos de implementar. Tanto los sistemas de canal como los de torre tienen sus limitaciones. En un diseño típico de una planta de energía, los diseñadores de sistemas tienen que elegir entre las deficiencias de un sistema de canal y las deficiencias de un sistema de torre.
Los sistemas de canalización sufren la necesidad de tener millas de tuberías evacuadas (para evitar la pérdida de calor), millas de tuberías (generalmente una milla por megavatio de capacidad de generación), la necesidad de operar a temperaturas (relativamente) más bajas (lo que lleva a una generación de energía ineficiente, y haciendo que el almacenaje en sales fundidas sean poco prácticas), costosos y / o peligrosos fluidos de transferencia de calor, y la difícil tarea de limpiar regularmente grandes hectáreas de espejos curvos.
Los sistemas de torres con base de sal fundida (o “torre central”) sufren el alto coste de la torre, el coste de los equipos para el manejo de la sal fundida, además del trazado de calor y las bombas exóticas, la atenuación atmosférica resultante de la propagación de rayos de luz solar hasta una milla sobre el nivel del suelo, poca eficiencia en el uso del suelo debido a los grandes espacios requeridos entre los heliostatos en las partes externas del campo de heliostatos, las dificultades asociadas con la limpieza de hectáreas de espejos grandes y ampliamente distribuidos con los costos asociados de cableado y conexión a tierra y una tolerancia reducida al viento , los problemas de seguridad de las aves y de aviones, y la incapacidad de aprovechar la diferencia de temperatura entre sal caliente y la temperatura ambiental disponible, sin que la sal fundida se congele. Estos sistemas también tienen el requisito de apuntar sus espejos con alta precisión, como 3 miliradianes de error o mejor ópticamente, lo que se traduce en 1,5 miliradianes de movimiento mecánico, para dirigir la luz solar reflejada sobre el receptor.
Ambos tipos de sistemas se ven afectados por el hecho de que utilizan receptores que compuestos de metal y otros materiales, que terminan siendo sometidos a cambios de temperatura diarios muy grandes y gradientes térmicos muy altos. Por ejemplo, el lado iluminado del receptor puede ser 100°C o más caliente que el lado opuesto. Estos gradientes y oscilaciones de temperatura presentan desafíos de ingeniería difíciles, y llevan a límites en la cantidad de luz solar total que se puede colocar sin riesgo sobre en el receptor, y también conducen a requisitos estrictos sobre la uniformidad de la iluminación.
Relacionado, estos sistemas deben tener cuidado de no poner la luz solar concentrada en cualquier superficie que no esté diseñada para ser sometida a ella. Por lo tanto, estos sistemas típicamente deben tener un costoso blindaje térmico para proteger los componentes cerca del receptor del calor no deseado. La energía que pierde el receptor se llama derrame y representa energía perdida e ingresos perdidos.
La seguridad de aviones y aves está relacionada con el hecho de que la luz solar altamente concentrada se propaga a través de espacios abiertos. Este es un problema más importante para los sistemas de torre de potencia que para los canales, pero tanto los sistemas de canal como los de torre tienden a propagar la luz concentrada a través de un volumen de espacio abierto entre el colector y el receptor.
Ambos tipos de sistemas también sufren del hecho de que tienden a usar grandes espejos que están expuestos a altas fuerzas del viento, mientras que necesitan mantener una alta precisión, y las estructuras necesarias para resistir estas fuerzas son caras. Además, estas estructuras suelen requerir cimientos significativos para permanecer ancladas al suelo durante vientos fuertes. Ambos tipos de sistemas, y especialmente las torres, sufren de una incapacidad para escalar a un tamaño menor. Además, generalmente no es posible un "arranque suave"; por lo general, la construcción de toda la planta debe completarse antes de que pueda comenzar la producción de energía. Por último, incluso las torres de energía eléctrica funcionan a temperaturas mucho más bajas que una planta de combustible fósil típica, lo que tiene un efecto perjudicial en la eficiencia de la generación de energía. Operar a temperaturas más altas podría fácilmente resultar en 1/3 más producción de energía de lo que es posible hoy en día en una planta de torre de energía de sales fundidas.
Los gastos de operación asociados con la limpieza y el mantenimiento de estas hectáreas de espejos expuestos y millas de tuberías pueden ascender a decenas de millones de dólares por año.
Debido a la escala masiva de construcción involucrada, estas plantas son muy caras, y son instalaciones permanentes, y se requieren muchos años, generalmente hasta 30 años, para amortizar completamente el costo de la planta para que se convierta en una empresa rentable. Esto lleva a una restricción comercial importante, ya que el desarrollo de un proyecto generalmente depende de la búsqueda de un comprador que acepte comprar la energía durante 30 años a un precio negociado previamente.
Las realizaciones de la presente invención ofrecen soluciones a estos problemas al adoptar un enfoque nuevo y holístico del problema de la recolección y el almacenamiento de la energía solar. Es decir, la tecnología tradicional tiene un enfoque poco sistemático del problema. En un sistema de torre, por ejemplo, se recoge la primera luz. Luego se lanza hasta una milla a través del sitio hacia una torre, lo que requiere una precisión de puntería muy precisa. A continuación, la luz concentrada se recoge en un receptor que puede estar expuesto a hasta 500 MW o más de calor. Al igual que un cohete de alto rendimiento, un pequeño problema técnico puede llevar a una falla catastrófica de toda la central eléctrica.
La sal fundida espesa y viscosa debe bombearse a través del receptor con bombas exóticas, a un alto costo de energía. Además, nunca debe permitirse que la sal se congele, lo que, para una sal típica, significa que debe mantenerse a una temperatura de 200°C o más durante la vida útil de la central eléctrica. Estos y otros requisitos de energía resultan en un consumo de energía no deseado. Este consumo se denomina "carga parasitaria" y puede representar un impacto significativo para la rentabilidad de la planta de energía.
La sal calentada debe ser almacenada en un enorme tanque. En algunos casos, puede ser de hasta 6 pisos de altura y tener una área como un diamante de béisbol. Debido a las altas temperaturas involucradas, este tanque generalmente debe estar construido de acero inoxidable caro para que no se corroe rápidamente cuando se expone a la sal fundida.
Finalmente, cuando se desea la producción de energía, la sal fundida debe ser bombeada nuevamente a través de un exótico generador de vapor de sal fundida. En este punto, por fin, la tecnología de las centrales eléctricas convencionales se hace cargo y comienza la producción de energía.
En muchos aspectos, los sistemas de CSP de alta tecnología de hoy en día son extremadamente complejos e intrínsecamente frágiles, pero se han estado trabajando en los problemas durante tantos años que están empezando a hacer que funcionen. Sin embargo, las plantas actuales de CSP no son competitivas en cuanto a costos con otras formas de energía, y los ciclos de construcción son largos, lo que aumenta el costo efectivo de la energía producida. Del mismo modo, las plantas de chimenea solar, aunque son conceptualmente sencillas y elegantes, son difíciles de implementar en la práctica, debido a las bajas temperaturas máximas, lo que resulta en una eficiencia energética muy baja entre la luz solar y la energía suministrada (generalmente menos del 1%). Esto lleva a requisitos de tierra muy grandes, y la baja diferencia de flotabilidad que resulta por la baja temperatura máxima significa que se requieren torres muy altas, tan altas como 1000m en algunos sistemas propuestos.
Las realizaciones de la invención descritas en el presente documento eliminan los numerosos compromisos y desafíos tecnológicos implicados en la CSP convencional, al replantear el problema en una forma mucho más modular. Es decir, mientras que una planta CSP típica tiene un campo de espejos, que luego enfocan la luz en un receptor, que luego absorbe el calor, que luego se transfiere a la sal, que luego se bombea a un enorme tanque de sal, algunas realizaciones de la invención descritas reparten una planta de CSP en unidades modulares o componentes que pueden contener cada uno estos componentes funcionales individualmente.
Además, es posible, al combinar las altas temperaturas de esta invención con la tecnología de chimenea solar para permitir la producción de energía de corriente solar con una eficiencia mucho mayor, reducida área de terreno, impacto ambiental reducido y coste de energía más reducido.
Una realización de la invención, por lo tanto, comprende un módulo que incluye las funciones de seguimiento del sol, enfoque de la luz, absorción de calor y almacenamiento de energía. El módulo puede proporcionarse de forma independiente, o puede estar acoplado a otros módulos, que comprenden un módulo de "conducto". Al mantener todas estas funciones próximas entre sí en un solo módulo, los problemas de transporte (de luz, calor, energía o líquidos calientes) sobre grandes distancias y en grandes volúmenes se alivian. Una realización ejemplar, por lo tanto, no propaga la luz concentrada a través de espacio abierto. La región de luz concentrada en esta realización es, por lo tanto, generalmente inaccesible, lo que ayuda a mejorar la seguridad de los trabajadores, las aves y los aviones. En otra realización, todo el conjunto está situado debajo de una cubierta de vidrio u otra cubierta transparente, lo que hace que la región de luz concentrada sea aún más inaccesible. En una realización, la altura del volumen encerrado debajo del vidrio u otra cubierta es lo suficientemente pequeño, incluso tan pequeño como 1 metro de altura, o incluso más corta, que el acceso del trabajador al interior no sea práctico sin quitar el vidrio u otra cubierta.
Los módulos pueden fabricarse en una fábrica, en vez del emplazamiento de la planta solar, aprovechando así los beneficios de la producción en masa y reduciendo el calendario de ejecución y costes de implementación del proyecto.
En una realización, la invención comprende un lecho de material de almacenamiento de energía térmica. En una realización ejemplar, el material se comprende de un agregado sólido, por ejemplo, que incluye materiales tales como granos de arena o guijarros. Cualquier material adecuado, incluida la arena, gravilla o similares, servirá, pero una realización comprende partículas de arena de basalto o grafito como material del lecho. En esta realización, los materiales seleccionados tienen las siguientes propiedades: bajo costo, alta conductividad térmica, alto punto de fusión, muy alta temperatura de ignición (es decir, no son inflamables en la atmósfera normal a las temperaturas consideradas), lubricidad (en algunas aplicaciones), estabilidad química y no corrosivo. La arena de basalto, por ejemplo, puede usar porque exhibe una excelente conductividad térmica y estabilidad química. El grafito, en forma de polvo o escamas, puede usarse porque es excelente con respecto a todas estas propiedades. La arena (que en su mayoría es dióxido de silicio) también puede ser un material útil en una realización donde la conductividad térmica y la lubricidad son menos críticas.
Se puede utilizar cualquier cantidad de material de almacenamiento. Una realización incluye al menos 10 kg de material de almacenamiento, o tanto como 100,000 kg, o incluso hasta mil millones de kg de material de almacenamiento. No hay un límite superior práctico en la cantidad de material de almacenamiento aparte del tamaño del lugar de instalación.
Si bien la realización anterior proporcionó un lecho de material de agregado sólido, se puede proporcionar un lecho de material sólido en cualquier forma, incluidos bloques, láminas o incluso el suelo subyacente debajo del módulo. El material puede proporcionarse como uno o más componentes distintos, o puede proporcionarse como una porción de otro componente; por ejemplo, en una realización, las paredes internas del módulo comprenden un lecho de material de almacenamiento de energía. En otra realización, los miembros estructurales dentro del interior del módulo también pueden comprender un lecho de material de almacenamiento de energía.
Con el fin de retener la energía térmica una vez recogida, una realización ejemplar incluye un contenedor aislado para contener el lecho de material de almacenamiento de energía térmica.
Un aspecto de las realizaciones de la invención es el calentamiento directo del lecho de material de almacenamiento térmico mediante luz solar concentrada. A diferencia de los sistemas de la técnica anterior que usan espejos para calentar un tubo o receptor central, una realización ejemplar de la invención proporciona un colector de energía solar térmica de concentración, que comprende una óptica de concentración de luz, próxima al lecho de material de almacenamiento térmico sólido, calentándolo directamente, en vez de transportar el calor que se ha recogido en otro lugar. En una realización, los elementos ópticos colectores están por encima o al lado del lecho de material y enfocan la luz solar concentrada en él. Otra realización está compuesta de óptica reflectante, tal como un Concentrador Parabólico Compuesto modificado (CPC). Sin embargo, una realización que usa óptica refractiva tal como lentes de Fresnel también sería factible.
Un paso inventivo en una realización es proporcionar el material de almacenamiento próximo a la óptica de recolección, por ejemplo, tan cerca como diez metros, o cinco metros, o incluso tan cerca como un metro o diez centímetros o incluso hasta más cerca. La proximidad está limitada solo por el requisito práctico de incluir una capa de aislamiento entre la óptica de recolección y el lecho de material de almacenamiento.
Una etapa inventiva adicional en una realización consiste en usar el mismo material para absorción y almacenamiento de energía, sin ningún otro material interpuesto entre la luz solar incidente y el material de almacenamiento de energía. Si bien se puede interponer un material, el paso inventivo en la realización es que dicho material puede omitirse sin afectar sustancialmente la función o el rendimiento de la realización, ayudando así a reducir el costo y la complejidad.
En una realización, los elementos ópticos colectores están empaquetados muy juntos, con solo pequeños espacios entre colectores adyacentes, incluidos espacios de menos de 30 centímetros, o incluso espacios tan pequeños como 25 milímetros o incluso más pequeños.
En una realización, el factor de concentración de la óptica de recolección es al menos 25x, o incluso tan alto como 500x, o incluso 1000x, o incluso más alto.
Una realización para calentamiento de agua caliente residencial incluye un lecho fijo de material. En esta realización, un tubo de agua extrae calor del material según demanda, sin embargo, se puede usar un pipa de calor en lugar del tubo de agua. En esta realización, el lecho de material se calienta a más de 200°C, pero pueden ser deseables temperaturas mucho más altas de 400°C, o incluso 1000°C o más para algunas aplicaciones de realización de la invención. Cuanto más alta es la temperatura, más calor se almacena en la misma cantidad de material.
En una realización relacionada, se puede usar un tubo de aire para extraer el calor del material.
Una realización útil de un sistema residencial calienta el lecho de material a aproximadamente 400°C. Esto proporciona una densidad de energía dramáticamente más alta que los calentadores de agua solares típicos, que podrían calentar el agua en sus tanques a 50°C o menos. Llegando a 400°C proporcionaría un equilibrio útil entre una alta densidad de energía deseada y una cantidad mínima de aislamiento deseado. Con esta densidad de energía dramáticamente más alta (en comparación con un tanque de agua caliente), el lecho de material puede mantenerse a un tamaño modesto, incorporándose directamente dentro del cuerpo de un "panel solar térmico de estado sólido" montado en el suelo o en el suelo, por lo tanto proporcionando un "calentador de agua solar sin tanque" en aproximadamente la misma huella que un panel de agua caliente solar tradicional.
En una realización, el calor almacenado puede usarse para calentar el aire para calentar espacios de una casa o negocio, o para conducir un motor Stirling para generar electricidad. Los motores Stirling, especialmente, pueden beneficiarse de las temperaturas más altas posibles gracias a la invención, que producen electricidad de manera mucho más eficiente que la del calor a temperaturas más bajas.
En otra realización, la invención puede usarse como un calentador de agua solar sin tanque, que proporciona agua caliente según demanda, como cuando un propietario abre un grifo. En una realización adicional, se incluye una fuente de calefacción de respaldo para proporcionar agua caliente durante los períodos en que hay una alta demanda de agua caliente o luz solar limitada. Dicha fuente de calentamiento de respaldo puede comprender cualquier fuente de calentamiento conveniente, que posiblemente comprende fuentes de calor convencionales tales como un elemento de calentamiento eléctrico, un quemador de gas natural o un calentador de gas catalítico.
En otra realización, la invención, en cambio, puede actuar como una "batería" térmica para usarse junto con un calentador de agua tradicional. En este caso, no se necesita una fuente de calefacción de respaldo, ya que el calentador de agua tradicional ya tiene la capacidad de calentar el agua.
En esta realización, un panel solar térmico de estado sólido puede estar acoplado operativamente a un calentador de agua caliente convencional. Cuando la temperatura del agua en el tanque del calentador tradicional cae por debajo de la temperatura deseada, se puede hacer que el agua circule a través del panel solar de estado sólido y luego vuelva al tanque. Dado que la temperatura dentro del panel solar térmico de estado sólido es más alta que la temperatura deseada, el agua en el tanque se calentará por el panel solar de estado sólido. Si el contenido del panel solar de estado sólido no está lo suficientemente caliente como para calentar el agua a una temperatura deseada, entonces el sistema puede configurarse de modo que la fuente de calor convencional del calentador de agua convencional caliente el agua, ayudando así a proporcionar una fuente de calor de respaldo cuando no hay suficiente energía solar almacenada disponible.
En una realización relacionada, se puede hacer que el aire u otro fluido circule a través del panel solar de estado sólido y hacia el tanque, en lugar de hacer circular el agua del tanque a través del panel solar de estado sólido. Existen otras realizaciones que pueden ser útiles cuando la invención se usa a escala comercial (tal como agua caliente para una bodega o lavandería) o escala industrial. En una realización a escala comercial, el colector de energía solar térmica y el lecho de material de almacenamiento térmico se pueden acoplar a un remolque de plataforma con el sistema de recolección montado en la parte posterior.
Una realización a escala industrial comprende de un contenedor de basura o contenedor de envío u otro contenedor que contiene material de almacenamiento térmico, con la óptica de captación de luz solar en la parte superior. También a escala industrial, una realización ejemplar puede vincularse directamente a la caldera de una fábrica, ya sea para producir vapor directamente, o para precalentar el aire de combustión para una caldera convencional. Una realización a escala industrial acopla el dispositivo de recolección y almacenamiento de la invención con una planta de purificación de agua, como una planta de desalinización, que ayuda a proporcionar calor para eliminar las impurezas del agua.
Otra realización a escala comercial / industrial acopla el dispositivo de recolección y almacenamiento de la invención con un sitio de comunicaciones remotas, tal como una torre de teléfono celular. Al proporcionar energía de energía solar con almacenamiento de larga duración, se puede eliminar la necesidad de proporcionar un sistema de generación diésel y también de transportar combustible a la unidad.
Otra realización a escala comercial / industrial acopla el dispositivo a una o más bombas de agua para proporcionar irrigación agrícola. Los agricultores frecuentemente mueven sus equipos de bombeo de irrigación a diferentes ubicaciones, y la modularidad de las realizaciones de la invención ayuda a proporcionar portabilidad.
Otra realización acopla el sistema con un campo petrolífero que participa en la Recuperación asistida de petróleo (EOR). La realización ayudaría a permitir la operación en la noche y permitiría que las unidades de producción y almacenamiento de energía se puedan mover fácilmente a nuevos pozos, según sea necesario.
Tanto a escala comercial como industrial (y también posible a escala residencial), la portabilidad intrínseca de la unidad ofrece una posibilidad verdaderamente novedosa ofrecida por el enfoque de remolque/contenedor/basurero. Esta portabilidad permite un nuevo paradigma de "energía solar como servicio", en el que el material de almacenamiento térmico se puede calentar en un sitio remoto, soleado, donde los costos de la tierra son bajos, y luego transportarse al sitio del usuario para la extracción de energía.
Por ejemplo, en una realización, un módulo de acuerdo con la invención puede tardar hasta 30 días o más en calentarse por completo en condiciones normales, mientras que el cliente final puede desear consumir el calor de un módulo por día, pero sólo tiene espacio para una o dos unidades.
Un proveedor de "energía solar como servicio" puede mantener una "granja" de unidades de captación de energía solar térmica, por ejemplo, en el desierto, que siempre están siendo "cargadas". (La palabra "cargado" se usa en este documento para significar "calentado a la temperatura deseada". Del mismo modo, la palabra "gastado" se usa para referirse a una unidad que se ha enfriado nuevamente a una temperatura más baja). Un cliente puede tener 30 unidades asignadas a sí mismo en la granja, pero solo una unidad en su sitio de uso final en un momento dado. En una realización, cada día, el proveedor del servicio puede traer una unidad cargada e intercambiarla por la unidad gastada, que se devuelve a la granja para recargarla.
La portabilidad intrínseca, la escalabilidad y la naturaleza de carga automática de las unidades ayudan a habilitar un método para proporcionar socorro en casos de emergencia y desastres, en el que los módulos pueden proporcionar energía para las operaciones de respuesta a emergencias y desastres. En una realización que proporciona ayuda de emergencia o desastre, los módulos pueden implementarse en un lugar de desastre y dejarse durante un período prolongado de tiempo, sin necesidad de una línea de suministro continua. Los módulos pueden proporcionar energía térmica para calefacción y refrigeración, generación de electricidad, agua sanitaria e incluso calor para cocinar. Las realizaciones de este método pueden incluir el despliegue de pequeñas unidades de tamaño doméstico para uso de familias individuales, módulos de tamaño comunitario y / o sistemas de calefacción, agua o electricidad a gran escala.
Una realización relacionada incluye un sistema similar para infraestructura de energía general para una comunidad remota. La realización puede incluir el despliegue de pequeñas unidades de tamaño doméstico para uso de familias individuales, módulos de tamaño comunitario y/o sistemas de energía, agua o calefacción a gran escala.
En una realización de la invención, el lecho de material se puede alojar en un contenedor móvil, de modo que el material calentado se puede transportar fácilmente a una ubicación central (por ejemplo, un sitio de generación de energía en una planta de energía a escala de utilidad) donde la energía puede ser extraída.
En el sector de la minería sin conexión a la red, la invención puede implementarse a “escala de utilidad”, proporcionando decenas o incluso cientos de megavatios de potencia necesarios para operar equipos de minería, que de otro modo podrían requerir que el combustible diésel sea transportado en camiones a cientos de kilómetros de distancia. A menudo, a estas minas les gusta reubicarse cada pocos años. La portabilidad intrínseca de las unidades de recolección hace que esta reubicación sea sencilla. Por lo tanto, en una realización, las unidades de recolección pueden reubicarse después de un período de tiempo.
Una realización útil de una unidad de recogida y almacenamiento comprende de vagón de tolva de ferrocarril aislado. Un carro de tolva que contiene un lecho de grafito, un lecho de arena de basalto u otro material útil que puede ser calentado a temperaturas muy altas por la luz solar concentrada, en el transcurso de tal vez una semana o un mes, o tan corto como un día o incluso más corto, o como hasta dos meses o incluso más. Un vagón de ferrocarril bien aislado puede mantener su contenido caliente durante semanas, perdiendo tan solo el 1% del calor almacenado por día, o incluso menos. En esta realización, se pueden proporcionar muchos carros de tolva en una planta de energía a escala de servicio público, y cada carro de tolva comprende una "tapa" que comprende una serie de ópticas de concentración de lentes de Fresnel capaces de calentar el contenido, como grafito amorfo o en escamas, arena de basalto, u otro material útil, a temperaturas tan altas como 1100°C, o incluso más calientes. Una vez que el contenido del vagón de ferrocarril está lo suficientemente caliente, el vagón se puede almacenar o se puede programar para la extracción de energía. Cuando se desea producir electricidad, el carro de la tolva puede ser transportado a una estación de descarga. En una realización de una planta de energía que usa la invención, en la estación de descarga, el equipo estándar de manejo de carbón descarga el grafito caliente, la arena de basalto u otro material sobre un conjunto de tubos de caldera o tubos de aire, produciendo vapor para impulsar una turbina de vapor. o gases calientes para conducir una turbina de gas de ciclo Brayton. En la parte inferior de la cámara de extracción de calor, el equipo transportador de carbón estándar puede transportar el grafito enfriado u otro material a un vehículo de tolva en espera, y luego el ciclo puede repetirse.
Otra realización puede usar un contenedor de transporte marítimo estándar o adaptado como una unidad móvil de recolección y almacenamiento. Otra realización más puede usar un contenedor de basura estándar o adaptado como unidad móvil de recolección y almacenamiento.
Ya que incluyen el material de almacenamiento de energía y el contenedor de almacenamiento de energía, estos contenedores en forma de caja tienden a tener una masa significativa y tienden a exhibir una aerodinámica mínima en el viento, por lo que una realización puede no requerir una cimentación ni otra preparación significativa del sitio, lo que en importantes ahorros de costos.
Además, la alta tolerancia al viento significa que una realización puede ser adecuada para la instalación en ubicaciones que de otra manera no serían prácticas para el despliegue plantas de torre. Por ejemplo, las operaciones mineras en el norte de Australia podrían usar ventajosamente la energía de CSP, como para ahorrar en el costo del combustible transportado a la planta en camión. Pero algunas de estas instalaciones se encuentran en zonas sujetas a ciclones. Una realización adecuadamente reforzada de la invención puede implementarse de manera segura en estas áreas.
En una realización, la extracción de calor se realiza utilizando una o más unidades de transferencia de calor sólido a granel, tales como las proporcionadas por Solex Thermal (patente de EE.UU. 8.578.624), la totalidad de las cuales se incorpora aquí como referencia.
Sin embargo, en una realización alternativa, la unidad de recolección permanece fija, y un vehículo de servicio se detiene periódicamente y extrae el material de almacenamiento térmico caliente para ser transportado a una ubicación central para la extracción de calor.
Las unidades móviles pueden ser más útiles en algunas centrales eléctricas, ya que una realización a escala de servicios públicos también puede incluir una instalación de limpieza, como un lavado de autos, en la estación de descarga. En una realización, la unidad de recogida completa puede pasar por la instalación de limpieza. En otra realización, la "tapa" del colector solar se retira del carro de la tolva antes de descargar y se puede enviar a través de una estación de limpieza automática, como un lavado de autos, para limpiar su cubierta de vidrio. Esto se compara favorablemente con los sistemas tradicionales de CSP, que requieren que los carros móviles costosos se desplacen por el campo, acoplándose cuidadosamente con cada espejo para limpiarlo. El enfoque de "lavado de autos" también es favorable en términos de uso de agua, jabones u otros productos químicos. En un sistema de limpieza de CSP móvil tradicional, la recuperación de agua al 100% es difícil, y debido a la no poder recuperar el agua, puede que se prohíba la inclusión de jabón u otros productos químicos en el agua de limpieza. En una realización del enfoque de lavado de autos, el agua y las soluciones de limpieza pueden estar contenidas dentro de las instalaciones de limpieza, lo que permite una fácil recuperación y descontaminación del agua.
El mantenimiento es igualmente simplificado estaciones de mantenimiento en el sitio, ya sea en la estación o cerca de la estación de descarga, o en cualquier ubicación conveniente. Allí, los carros de la tolva y los conjuntos de colectores solares pueden ser reparados fácilmente sin afectar las operaciones de la planta y sin requerir costosas operaciones en planta.
Estos aspectos mejorados de limpieza y mantenimiento de la invención pueden llevar a costos significativamente reducidos para la operación y el mantenimiento de la planta de energía.
La movilidad de los módulos colectores significa que una planta de energía que utiliza el sistema puede no tener que ser una instalación permanente. En una realización ejemplar de una planta de energía, después de un período de unos pocos años, los módulos colectores (y opcionalmente también el bloque de energía) se pueden mover a una nueva ubicación. Por lo tanto, una realización incluye contratos de energía a corto plazo, lo que significa menos de 30 años, incluso tan corto como 5 años, o incluso tan corto como 2 años, dependiendo de los requisitos del cliente. No obstante, los módulos móviles representan un compromiso en una instalación a escala de utilidad. La necesidad de movilidad y manejo limita el tamaño del módulo, y se requieren sistemas dedicados para extraer el calor del material transportado cuando llega al bloque de alimentación central. Esto será apropiado para algunas aplicaciones, mientras que para otras puede ser conveniente no tener que transportar y manipular el sólido calentado.
Otra realización de la invención proporciona módulos de recogida fijos. En lugar de transportar los módulos calentados, los módulos pueden acoplarse entre sí para formar un conducto, a través del cual se puede pasar un fluido para extraer y transportar el calor. A diferencia de muchos sistemas de la técnica anterior, una forma de realización utiliza aire ordinario, a presión ambiental, como este fluido de transferencia de calor, que proporciona una gran simplificación en muchos requisitos de ingeniería. No obstante, otras realizaciones pueden usar otros fluidos y otras presiones.
En una realización de un módulo de recogida fijo, el módulo comprende un conducto aislado. En comparación con el módulo móvil, el módulo fijo tiene un par de puertos, por ejemplo, en los extremos del módulo, que se pueden acoplar a otro módulo a otro conducto aislado. Pueden usarse segmentos de conductos no aislados, pero pueden tender a tener altas pérdidas térmicas.
Al igual que el módulo portátil, el módulo de recolección fija también comprende un lecho de material de almacenamiento y absorción de calor, un sistema de seguimiento solar, ópticas de concentración de luz y un medio para transferir la energía solar concentrada recolectada al interior del módulo. El módulo de recolección fija también incluye un medio para mover el fluido, como el aire, a través del módulo, a través de los puertos de entrada y salida. El fluido tiende a absorber la energía térmica del material de absorción y almacenamiento de calor, transportándolo a un lugar diferente donde el calor puede usarse para cualquier propósito útil, como generar electricidad. Opcionalmente, el módulo también puede comprender una válvula o deflector para ayudar a controlar el flujo de fluido a través del módulo.
El fluido calentado se puede transportar a un lugar donde se puede usar con cualquier dispositivo que pueda hacer uso del calor, incluidos calentadores de agua, calentadores de aire domésticos, hornos de fábrica, motores Stirling, dispositivos termoeléctricos, turbinas de vapor, turbinas de gas o cualquier dispositivo útil.
Un aspecto importante de la invención es que el lecho de almacenamiento de energía térmica también se utiliza como absorbente de energía, y no se requiere que realice ninguna función estructural. Los receptores de torre de CSP tradicionales comprenden tuberías que transportan un fluido de transferencia de calor y, por lo tanto, deben diseñarse con cuidado para mantener la integridad estructural durante la vida útil de la planta mientras transportan fluidos calientes. Dado que una realización ejemplar no impone ningún requisito estructural sobre el material absorbente de energía (por ejemplo en un lecho de agregado sólido), estos problemas no tienen impacto.
No obstante, los elementos estructurales pueden participar en el almacenamiento de energía si se desea. En una realización, las paredes internas del módulo pueden comprender de material de almacenamiento de energía térmica. En otra realización, el módulo puede comprender el suelo debajo del módulo, y el propio suelo proporciona almacenamiento térmico y / o aislamiento al módulo.
En otra realización, el módulo comprende una zanja excavada en el suelo, de modo que el suelo puede comprender algunas o todas las paredes exteriores del módulo.
En otra realización, el suelo puede ser diseñado en varias formas para ayudar a proporcionar estructura, aislamiento o transferencia térmica mejorada. Por ejemplo, se puede agregar arcilla al suelo (o el suelo comprende de suficiente arcilla), y el suelo resultante se puede "cocer", potencialmente con energía solar concentrada, para formar estructuras similares a la cerámica dentro del módulo. Dichas estructuras pueden proporcionar soporte estructural, área de superficie para ayudar con la transferencia de calor, o similares.
Los módulos de recolección fija pueden ser de cualquier tamaño, pero en comparación con los módulos móviles, se pueden hacer fácilmente en tamaños muy grandes. Cuanto más grandes son los módulos, menos se necesita el área de la pared aislante por unidad de volumen, lo que tiende a resultar en un menor costo general. Los módulos grandes también pueden acomodar grandes volúmenes de aire u otro fluido. Dado que los grandes volúmenes son fácilmente alcanzables, tiende a haber menos necesidad de presurizar el fluido a alta presión. Y dado que el material de almacenamiento de energía en muchas realizaciones es químicamente estable y no inflamable, el aire es una opción práctica como fluido de transferencia de calor. A diferencia de los fluidos de transferencia de calor CSP tradicionales, el aire es gratis y se puede usar a temperaturas muy altas. Las temperaturas de operación más altas son importantes porque la eficiencia de conversión de energía tiende a aumentar con la temperatura. Incluso un pequeño aumento de la eficiencia de una planta de energía a escala de servicios públicos puede ofrecer beneficios significativos en términos del rendimiento económico de la planta.
Es difícil usar el aire como un fluido de transferencia de calor en una planta de CSP tradicional porque tiene una capacidad de calor relativamente baja. Por lo tanto, grandes cantidades de aire se deben transportar a través del receptor de CSP en poco tiempo, lo que termina requiriendo altas presiones, lo que aumenta el costo y la complejidad del sistema. Una realización de módulos de recolección fijos con gran volumen de aire permite el transporte de grandes cantidades de calor sin requerir presión.
Tanto los módulos de recolección fijos como los móviles separan el requisito de absorción y almacenamiento térmico del requerimiento de transporte de calor, lo que permite un diseño del sistema más efectivo. El material de absorción y almacenamiento de energía no necesita ser bombeado, lo que abre la posibilidad de utilizar grandes cantidades de materiales sólidos de bajo costo. En la realización del módulo de colección fija, esos materiales, una vez instalados, nunca tienen que ser movidos.
Una realización a escala de utilidad puede calentar sus lechos de material a temperaturas más altas que en algunas realizaciones residenciales. Con el volumen tan grande como un vagón tolva de ferrocarril, es práctico utilizar un aislamiento muy grueso, tan grueso como 30 cm, o incluso 60 cm o más, sin reducir demasiado la capacidad volumétrica del vagón tolva. Y con el mayor volumen del carro de la tolva en comparación con un panel solar en la azotea, se requiere mucho menos aislamiento por volumen de material de almacenamiento térmico, por lo que se puede usar un aislamiento más costoso sin impactar el costo de manera apreciable. Los volúmenes aún mayores disponibles para las realizaciones de módulos fijos permiten incluso menos material de aislamiento total. Por estas razones, una realización puede calentar los lechos de material de almacenamiento térmico hasta 1000°C, o incluso hasta 1400°C, o incluso más. 1550°C es una temperatura deseable para ayudar a que coincida con la temperatura de entrada deseada de un generador Brayton de aire de ciclo combinado. En todos estos casos, se pueden usar materiales aislantes reutilizados de la industria de la fundición de minerales. Hasta aproximadamente 1000°C, los materiales podrían llamarse "convencionales". Los materiales que llegan hasta 1400°C también están disponibles, aunque son ligeramente exóticos. Todavía son posibles temperaturas más altas y se usan en una realización adicional. Las temperaturas más altas son deseables porque la eficiencia de convertir el calor en electricidad aumenta a medida que aumenta la temperatura. A 1400°C, la temperatura del lecho de material es aproximadamente igual a la temperatura de los gases de combustión dentro de una turbina de gas, por lo que el calentamiento del lecho de almacenamiento térmico a esta temperatura o un poco más alto permitiría el uso de turbinas de gas muy eficientes que ya están siendo utilizado para la producción de energía en centrales de gas. Debido a la configuración de los módulos, está disponible un área de superficie mucho mayor de material de absorción de energía (muchos órdenes de magnitud más) para absorber el flujo entrante que el disponible en una planta de CSP tradicional. Esto significa que el material de absorción y almacenamiento de energía puede tener propiedades de conducción térmica mucho menores, ya que absorbe energía a un índice tasa mucho más bajo que un fluido de transferencia de calor en una planta de c Sp de la técnica anterior.
Ambos tipos de módulos exhiben buena escalabilidad. Las formas de realización se pueden dimensionar para cualquier cosa, desde la instalación residencial en la azotea hasta la escala de servicios públicos.
Cualquiera de los dos tipos de módulo comprende un recinto que comprende paredes, pisos o techos aislados. Sin embargo, los módulos no necesitan ser en forma de caja: las "paredes, pisos y techos" pueden comprender un tubo o cualquier forma conveniente. El recinto puede estar cerrado, como en las realizaciones de los módulos móviles, o puede tener uno o más puertos para permitir que un fluido de transferencia de calor entre y salga.
El recinto cerrado puede ser de cualquier construcción conveniente. Una realización utiliza material de aislamiento estructural autoportante con una cavidad cortada en él. Dichos materiales pueden incluir fibra de vidrio, concreto de espuma, sílice pirogenada o cerámica, entre otros.
Otra realización proporciona una pared sobre al menos una parte de la superficie interior del aislamiento. Esta pared interior puede proporcionar soporte estructural, proteger el aislamiento de la luz o puede proporcionar alguna función útil. Los materiales de pared interna convenientes pueden incluir acero inoxidable, aluminio, grafito, carburo de silicio, vidrio, cerámica o concreto, entre otros.
En una realización, el aislamiento y/o sus paredes comprenden de un conjunto opaco, para ayudar a evitar la pérdida de energía almacenada a través de la re-radiación. En una realización, el conjunto opaco es altamente reflectivo (ya sea reflexión especular o lambertiana o cualquier combinación) para ayudar a minimizar las pérdidas de re-radiación.
Del mismo modo, el recinto cerrado puede proporcionar una pared exterior en la superficie exterior del aislamiento, para proporcionar protección ambiental, soporte estructural o cualquier función conveniente.
En una realización, la combinación de pared interior y / o exterior junto con el aislamiento, puede comprender de un tubo. En otro, puede comprender de una caja. En una realización, el recinto puede tener extremos abiertos, de manera que comprende un conducto aislado.
En una realización, las propias paredes comprenden funciones de absorción y/o almacenamiento de energía térmica.
En una realización con paredes interiores, las paredes comprenden características que aumentan el área superficial de las paredes internas, para ayudar a mejorar la transferencia de calor entre las paredes y el fluido de transferencia de calor.
En una realización con paredes tanto internas como externas en el aislamiento, al menos una parte del aislamiento está completamente encerrado en un volumen sellado, lo que ayuda a prevenir el intercambio de aire dentro del aislamiento, que a su vez ayuda a mejorar el rendimiento térmico.
En una realización relacionada, el volumen sellado se evacua del aire, ayudando a eliminar la convección como un mecanismo de pérdida de calor.
Una realización ejemplar utiliza una concentración de luz solar de 500x para ayudar a lograr una temperatura interna deseada. Un beneficio de esta realización es que esta concentración se puede lograr con una precisión de puntería reducida en relación con lo que se requiere de un sistema de torre de potencia, incluso aunque la realización sea capaz de producir temperaturas mucho más altas que una torre de potencia típica. Al utilizar un sistema óptico bien diseñado, se pueden tolerar errores de puntería de hasta casi 1 grado (17 miliradianes). Por lo tanto, esta realización ayuda a hacer que el apuntado sea mucho más fácil, al proporcionar colectores que son mucho más pequeños que los típicos espejos c Sp convencionales, al proteger a los colectores del viento y al reducir la precisión de apuntamiento requerida en un factor de 5 o más, en comparación con el heliostato convencional.
Otra realización puede concentrar la luz solar tan poco como 25x. Otra realización puede concentrar la luz solar en 750x o incluso hasta 1000x o incluso más.
Una realización adicional reconoce la naturaleza a menudo complementaria de los recursos eólicos y solares. En esta realización, además de los colectores solares, las turbinas eólicas pequeñas se montan en o cerca de la unidad de colector. Sin embargo, a diferencia de los aerogeneradores convencionales, sus ejes de salida no están vinculados a un sistema de generación de electricidad. En su lugar, crean un movimiento mecánico que se convierte en calor, que puede utilizarse para calentar aún más el material de almacenamiento térmico, incluso de noche. En una realización, el movimiento mecánico puede convertirse en calor haciendo que un conjunto de paletas gire en un fluido viscoso, calentando el fluido, que luego se puede mover al contacto térmico con el medio de almacenamiento térmico de estado sólido para almacenar el calor. En otra realización, el calentamiento por corrientes de Foucault se usa para transferir el calor, evitando así la necesidad de tuberías y manteniendo la naturaleza de estado completamente sólido del dispositivo.
Un aspecto de la invención es el sistema de recolección de luz solar que concentra y transfiere la luz al interior de la unidad. Los expertos en la técnica estarán familiarizados con los sistemas típicos de concentración de luz utilizados en la concentración de energía fotovoltaica (CPV), por ejemplo.
Sin embargo, los requisitos sobre la óptica en el presente ejemplo son más desafiantes que para el CPV. Normalmente, los sistemas de CPV articulan el receptor (el objetivo de la luz concentrada), de modo que el receptor esté siempre alineado con el eje óptico.
Como se verá en la descripción detallada, a diferencia del CPV, es difícil mover el punto de destino en muchas realizaciones, por lo que es deseable proporcionar un sistema óptico que pueda suministrar luz concentrada a un punto fijo y en un ángulo específico.
En particular, una realización tiene un aislamiento grueso, con un canal estrecho, o "conducto de transferencia", para que la luz concentrada pase desde el exterior del aislamiento al interior de la unidad. Para que una porción sustancial de la luz concentrada pueda realizar este tránsito con éxito, generalmente debe estar alineado tanto en posición como en ángulo con el conducto de transferencia.
Por lo tanto, la invención se beneficia de configuraciones de elementos ópticos que logran este objetivo.
Una realización de un módulo colector que satisface estas necesidades incluye un par de aberturas de enfoque que se articulan entre sí. La luz enfocada por las aberturas se dobla aproximadamente 90 grados mediante un par de espejos primarios. El eje óptico de estos dos espejos comprende el eje de rotación secundario del módulo colector. La luz plegada luego procede a un punto donde refleja sore un espejo secundario plegado, orientado a aproximadamente 45 grados (es decir, alrededor de 45 grados), que es compartido por ambas aberturas. El centro aproximado de este espejo comprende el eje de rotación principal del módulo colector. El haz plegado dos veces ahora procede a un espejo terciario fijo, que lo dobla hacia abajo en un ángulo fijo, a un punto fijo. Una óptica secundaria de concentración opcional luego concentra aún más la luz y la transporta a un puerto de entrada en la cavidad de almacenamiento térmico.
En una realización típica, la luz concentrada del sistema de recolección de luz solar debe transportarse a través de una capa gruesa de aislamiento. El desafío es proporcionar un conducto de transferencia que transporte la luz, sin permitir una pérdida excesiva de calor debido a la convección.
Por lo tanto, una realización típica proporciona un conducto de transferencia a través de una capa de aislamiento al proporcionar "poros" delgados en el aislamiento, que permiten la entrada de la luz solar concentrada, mientras que permite que solo escape el calor mínimo. Una realización de estos ojos de buey proporciona un conjunto de varillas de vidrio de un material tal como sílice fundida o vidrio de borosilicato, o cualquier material óptico adecuado, que proporciona un transporte de baja pérdida a través de la reflexión interna total. Una realización rodea la varilla de vidrio con una "pajaita" de cerámica hueca, para proporcionar un espacio de aire requerido fuera de la varilla de vidrio, mientras que también minimiza las pérdidas debidas a la convección.
Por lo tanto, un conducto de transferencia de luz puede comprender una óptica de transferencia de luz, tal como una varilla de vidrio o cualquier material óptico adecuado, y un elemento de soporte, tal como una pajilla de cerámica o cualquier estructura útil.
Una realización incluye un conducto de transferencia de luz que es sustancialmente recto, con poca o ninguna curvatura, y no incluye un número significativo de conductos de transferencia con una curvatura significativa.
En una realización, el conducto de transferencia de luz comprende un monolito sustancialmente sólido de material óptico transparente, y no incluye cantidades significativas de fibras o hebras.
En una realización, el conducto de transferencia tiene entre 0,10 metros y 5,00 metros de largo y entre 0,5 y 5,0 cm de diámetro, pero puede tener menos de 1,00 metros de largo o incluso menos de 10 cm de largo o incluso más corto, y puede ser menor de 0,3 cm de diámetro o incluso menos.
Las realizaciones del conducto de transferencia no necesitan ser circulares en sección transversal. En el caso de un conducto de transferencia no circular, el diámetro puede considerarse como el diámetro de un círculo que tiene la misma área que la sección transversal del conducto de transferencia. En una realización, el conducto de transferencia tiene una sección transversal cuadrada de menos de 5cm x 5cm.
Por la noche, o en cualquier momento que no haya suficiente luz solar disponible para calentar aún más el interior, puede ser conveniente cubrir los ojos de buey. Por lo tanto, una realización coloca pequeños espejos móviles de "tapa" encima de los orificios, evitando así que la radiación térmica del interior se escape.
Otra realización puede proporcionar aún más área de recolección, para ayudar a calentar el material de almacenamiento térmico más rápido. Por lo tanto, una realización proporciona un área de recolección de luz adicional que se extiende más allá de la superficie superior del contenedor de debajo. En una realización, esta área de recolección adicional toma la forma de "alas" que se extienden más allá del borde del contenedor, sin embargo, dirigen la luz concentrada hacia el interior del contenedor.
En una realización que comprende de módulos de recolección fijos, los módulos pueden colocarse de extremo a extremo y conectarse entre sí para formar un conducto largo. Los subconjuntos de conductos pueden fabricarse en una fábrica y entregarse al sitio como módulos individuales. Dichos subconjuntos pueden comprender características de enclavamiento para crear una superposición entre la superficie interior de un segmento y la superficie exterior de un segmento adyacente. Del mismo modo, las capas de aislamiento entre segmentos pueden anidar de manera similar, lo que ayuda a reducir la pérdida de calor. Las características de enclavamiento pueden ayudar a mitigar los efectos de la expansión térmica de los conductos, ya que la superposición puede acomodar el crecimiento o la contracción de los módulos.
En una realización, el módulo de recolección comprende una zanja formada en el suelo y un aislamiento en la parte inferior y dos paredes verticales para reducir la transferencia de calor al suelo. Se puede colocar una cubierta aislada sobre la parte superior para crear un pasaje cerrado para un fluido. Se puede agregar material estructural para ayudar a evitar que el suelo se derrumbe en la zanja. El material estructural utilizado en el suelo y las paredes de la zanja se puede fabricar con cualquier material adecuado que pueda mantener la forma de paso deseada y soportar la exposición a altas temperaturas. Los materiales que comprenden acero, aluminio, vidrio y concreto pueden servir para este propósito adecuadamente. Otros materiales que comprenden de madera, plástico y espuma pueden considerarse si se protegen de un calor excesivo.
En una realización, el suelo debajo del módulo se comprende del piso del módulo. El módulo puede incluir aislamiento sobre el piso, o puede colocar su material de almacenamiento de energía directamente en el suelo, y/o puede incluir el suelo como parte de su cama de almacenamiento y recolección de energía.
En una realización, se pueden agregar materiales al suelo debajo del módulo o en su zanja, para ayudar a mejorar las propiedades aislantes, el almacenamiento térmico u otras propiedades del suelo.
En una realización, se puede excavar el suelo, se puede colocar algo de material en la brecha para proporcionar alguna propiedad útil, luego se puede colocar tierra sobre el material.
En una realización, los módulos adyacentes proporcionan un acoplamiento mecánico entre los módulos, permitiendo que un solo accionador controle los componentes mecánicos (por ejemplo, seguimiento solar) de múltiples módulos. Los módulos también pueden compartir otros componentes mecánicos, como un contrapeso, y pueden compartir componentes electrónicos.
En una realización que comprende módulos de recolección fijos, se pueden agregar características a la cavidad de aire para ayudar a aumentar la turbulencia en el fluido de transferencia de calor, ayudando a mejorar la transferencia de calor al fluido. Las características pueden incluir estacas introducidas en el suelo debajo del módulo, rocas colocadas dentro de la cavidad de aire o cualquier obstrucción conveniente.
En una realización, hay elementos estructurales incluidos dentro de la cavidad. Esto ayuda a proporcionar soporte estructural para permitir módulos más grandes, lo que ayuda a reducir la cantidad de aislamiento requerido.
En una realización, los elementos estructurales también proporcionan características de turbulación.
En una realización, los elementos estructurales y/o de turbulación comprenden materiales locales del sitio, particularmente el suelo.
En una realización, el suelo se combina con otro material, como partículas de sílice fundida o arcilla, que luego se fusiona para formar un objeto endurecido con fines estructurales, de turbulación, supresión de polvo u otro propósito. En una realización, el suelo debajo del módulo puede compactarse durante la construcción, ayudando así a mitigar el impacto de los vacíos que pueden aparecer cuando el agua u otros volátiles o combustibles salen una vez que se calienta el material.
La clausura de un sistema al final de su vida útil es una consideración importante en el ciclo de vida de un producto. Una realización se desactiva devolviendo algunas de sus partes al suelo, por ejemplo, al arrastrarlas o aplastándolas, como con una aplanadora, y luego labrando el suelo para mezclar las partículas nuevamente dentro de la capa del suelo.
En una realización, la absorción térmica y el material de almacenamiento pueden ser sólidos o compactados.
En otra realización, el material de absorción y almacenamiento térmico puede ser un agregado. El tamaño del agregado puede seleccionarse para proporcionar las propiedades deseables de flujo de fluido y transferencia de calor. El volumen del material de almacenamiento térmico y el volumen de cualquier espacio de aire dentro del módulo también pueden seleccionarse para proporcionar el flujo de fluido y las propiedades de transferencia de calor deseables.
Las realizaciones que comprenden módulos fijos pueden incluir una forma de transportar el fluido y extraer energía de él. El fluido puede ser forzado a través de los módulos de recolección, o se pueden proporcionar medios para permitir que fluya a través de la convección natural. El fluido puede recircularse continuamente a través de los módulos (un sistema "cerrado"), o puede dejarse escapar después de su uso y ser reemplazado por fluido fresco (por ejemplo, aire). Las realizaciones también pueden comprender sistemas híbridos que recirculan una porción del fluido. Un sistema abierto sufre pérdidas térmicas en la medida en que el aire de escape está por encima de la temperatura ambiente, pero puede ofrecer otras ventajas, como una convección natural más simple, que elimina el consumo de energía parasitaria requerido por la convección forzada.
Una realización que comprende módulos fijos puede incluir un fluido de transferencia de calor a presión ambiental, o puede incluir un fluido de transferencia de calor presurizado, o ambos. Debido al gran volumen de fluido de transferencia de calor dentro del sistema de módulo fijo, grandes cantidades de calor pueden ser transportadas incluso con un fluido de capacidad térmica nominalmente baja, como el aire a presión ambiental. Si bien los sistemas de la técnica anterior se han basado en fluidos de transferencia de calor más eficientes, como agua, aceite o sales fundidas, que deben estar contenidos dentro de un circuito de transferencia de calor cerrado y / o presurizado, lo que aumenta la complejidad y el costo del sistema, la gran transferencia de calor del volumen de fluido de esta realización ayuda a permitir el uso de aire a presión ambiental y su reducción concomitante de costos. Análogamente, el gran volumen de material de almacenamiento térmico de bajo costo ayuda a habilitar una capacidad de almacenamiento térmico extremadamente grande a bajo costo. Una realización puede incluir hasta varios días de almacenamiento, o varias semanas, o incluso un mes o más.
En una realización, se puede usar un ventilador o soplador para forzar el aire a través de los módulos. Se puede usar un soplador de alta temperatura si el soplador se coloca en un lugar donde la temperatura del fluido es alta (como la salida de los módulos), o se puede usar un soplador de temperatura más baja si se coloca en un lugar donde la temperatura del fluido es más baja (tal como en un punto de entrada o de escape).
En una realización, la convección natural se logra incluyendo una chimenea en el escape del sistema. La altura de la chimenea es una característica física que se puede ajustar para lograr un diferencial de presión objetivo utilizando el efecto de chimenea. El efecto chimenea mueve el aire hacia arriba de la chimenea por la flotabilidad, que es causada por una diferencia en la densidad entre el aire de dentro y fuera de la chimenea. Esta diferencia de densidad del aire crea un diferencial de presión y se describe mediante la ecuación AP=Cah(1/To - 1/Ti), donde AP es la diferencia de presión disponible, C es una constante igual a 0,0342 Kelvin/metro, a s la presión atmosférica, h es la altura de la chimenea, To es la temperatura exterior absoluta en Kelvin y Ti es la temperatura absoluta media dentro de la chimenea, también en Kelvin.
En una realización, una turbina eólica puede colocarse corriente arriba de o dentro de la chimenea para generar electricidad. Esto forma una torre de corriente solar ascendente, pero una que funciona a temperaturas mucho más altas que las torres de la técnica anterior, lo que permite una gran reducción de la altura de la chimenea. Si la temperatura del aire excede la temperatura de funcionamiento máxima permitida de la turbina eólica, la temperatura ambiental puede ser introducida en el flujo de aire corriente arriba de la turbina eólica para ayudar a bajar la temperatura a un valor adecuado. Aunque esto tendería a reducir la diferencia de presión proporcionada por el efecto de chimenea y, por lo tanto, la eficiencia general del sistema, puede resultar rentable. No obstante, una turbina capaz de funcionar a alta temperatura tendería a proporcionar la mayor eficiencia.
En otra realización, el fluido calentado pasa a través de un intercambiador de calor y una turbina eólica, proporcionando extracción de energía en dos etapas. Esto puede ser deseable o ventajoso, ya que los sistemas como las turbinas de vapor funcionan bien solo a altas temperaturas, mientras que una turbina de corriente ascendente puede hacer uso de temperaturas más modestas. A pesar de que esto reduciría el diferencial de presión provisto por el efecto de chimenea, aún podría permitir la recolección de energía que de otra manera podría desperdiciarse en el medio ambiente.
En otra realización, una chimenea ayuda a proporcionar flujo de aire para extraer aire a través del conducto aislado. La chimenea también puede ayudar a proporcionar flujo de aire a otros subsistemas. Por ejemplo, en una configuración que utiliza una turbina de vapor como uno de los subsistemas de utilización de energía, el efecto de chimenea se puede usar para arrastrar aire de refrigeración a través del intercambiador de calor de condensación en el lado de corriente abajo de la turbina de vapor.
En otra realización, parte de la energía térmica extraída del intercambiador de calor de condensación puede usarse para ayudar a impulsar una turbina de corriente ascendente, recolectando así energía utilizable que de otra manera se desperdiciaría en el medio ambiente.
Se pueden usar válvulas o deflectores en algunas realizaciones. En una realización, se pueden usar válvulas o deflectores para sellar o abrir diferentes bancos de módulos, permitiendo que algunos se usen únicamente para recolectar energía, mientras que otros se usan para extracción de energía, o cualquier combinación de estas. A modo de ejemplo, una "planta de energía solar nocturna" podría cerrar todos sus conductos durante el día y abrirlos por la noche para comenzar la producción de energía. En una realización, las válvulas y los deflectores se utilizan para controlar las temperaturas dentro del sistema, lo que limita el flujo de calor cuando cualquier parte del sistema comienza a calentarse demasiado.
Una realización incluye uno o más colectores en los que los circuitos de aire de varios grupos de módulos pueden unirse para la extracción de energía utilizando equipos compartidos. Debe apreciarse que también podría usarse cualquier otro fluido adecuado. En una realización, el fluido de los circuitos de varios módulos se enruta de manera circular a través del equipo, hacienda que cada circuito toma su turno descargando su calor una vez que se “carga” completamente con energía térmica.
En otra realización, se puede usar una chimenea como parte de un sistema cerrado, configurándola en una configuración de contraflujo para convección natural. En esta realización, el aire caliente se introduce en la base de una chimenea. El aire flotante fluye hacia arriba a través de la chimenea. Dentro de la chimenea, se proporciona un intercambiador de calor que extrae calor para producir energía. En la parte superior de la chimenea, el aire más frío se dirige hacia una segunda chimenea / conducto de regreso al nivel del suelo. Un segundo intercambiador de calor en el conducto descendente extrae más calor, enfriando aún más el aire y ayudando a aumentar el efecto del termosifón. Luego, el aire frío se devuelve a los módulos solares para una mayor extracción del calor almacenado. En una realización de este tipo, los intercambiadores de calor caliente y frío pueden comprender una configuración de contraflujo estándar del intercambiador de calor.
Otra realización utiliza una configuración similar, pero con convección de aire forzado en lugar de convección natural. El aire forzado puede permitir un mayor flujo de aire a través de conductos más pequeños, si se desea. Una realización es un sistema para recibir, transferir y almacenar energía solar térmica, que comprende:
(a) Un colector de energía solar de concentración para recoger energía solar,
(b) un conducto de transferencia para transferir la energía recibida,
(c) un material de almacenamiento de energía térmica para absorber y almacenar la energía recibida como calor, y
(d) un recipiente aislado para ayudar a retener el calor.
donde el colector de energía solar de concentración, el conducto de transferencia y el material de almacenamiento de energía están todos próximos entre sí, y
en el que el conducto de transferencia está acoplado al material de almacenamiento de energía de tal manera que la energía del colector de energía solar de concentración se transfiere sustancialmente al material de almacenamiento de energía a través del conducto de transferencia, y
en el que el conducto de transferencia pasa a través de la capa de aislamiento a un área no aislado del recipiente aislado a una zona aislada del recipiente aislado.
En una realización, el material de almacenamiento está tan cerca como diez metros, o tan cerca como cinco metros, o incluso tan cerca como un metro, o incluso tan cerca como 10 cm o incluso más cerca.
En una realización, el mismo material se utiliza para absorción de energía y almacenamiento de energía, sin ningún otro material interpuesto entre la luz solar incidente y el material de absorción de energía.
En otra realización, el conducto de transferencia comprende una óptica de transferencia de luz.
En una realización, la óptica de transferencia de luz es sustancialmente recta, con poca o ninguna curvatura. En una realización, el sistema no incluye números significativos de conductos de transferencia con curvatura significativa.
En una realización, el conducto de transferencia de luz comprende de un monolito sustancialmente sólido de material óptico transparente, y no incluye cantidades significativas de fibras o hebras.
En una realización, el conducto de transferencia tiene menos de 5 metros de largo y menos de 5 cm de diámetro, pero puede tener menos de 1 metro de largo o incluso menos de 10 cm de largo o incluso más corto.
En otra realización, la óptica de transferencia de luz comprende una varilla de vidrio sólido.
En otra realización, la óptica de transferencia de luz comprende además una pajita de cerámica.
En otra realización, el material de almacenamiento de energía térmica es un material sólido.
En otra realización, el material de almacenamiento de energía térmica comprende un agregado de estado sólido. En otra realización, el material de almacenamiento de energía térmica comprende grafito.
En otra realización, el material de almacenamiento de energía térmica comprende arena.
En una realización, el material de almacenamiento de energía térmica comprende arena de basalto.
En otra realización, el sistema también comprende un espacio entre la capa de aislamiento superior y el material de almacenamiento de energía térmica.
En otra realización, la superficie superior del módulo tiene un ángulo.
En otra realización, el módulo comprende un carro de tolva de ferrocarril.
En otra realización, el módulo comprende un contenedor de envío.
En otra realización, el módulo comprende un contenedor de basura.
En otra realización, el módulo incluye aberturas para permitir que un fluido de transferencia de calor fluya a través del recipiente, comprendiendo un conducto.
En una realización, el colector de energía solar de concentración está debajo de una cubierta transparente.
Otra realización incluye un sistema de control autoalimentado, que comprende
(a) Un panel fotovoltaico
(b) electrónica de gestión, y
(c) electrónica de seguimiento, y
(d) Motores que se acoplan operativamente a los colectores solares para hacer que apunten al sol.
Otra realización es un método de recogida y almacenamiento de energía, que comprende los actos de:
(a) utilizando un colector de energía solar de concentración para recolectar energía,
(b) utilizando una óptica de transferencia de luz proximal para transferir la energía solar a través de una capa aislante, y
(c) absorber y almacenar la energía transferida en un medio de almacenamiento de energía próximo.
En una realización, el medio de almacenamiento de energía próximo es un sólido.
En una realización, el medio de almacenamiento de energía próximo está fijo en su ubicación y está sustancialmente inmóvil.
Otra realización es un colector solar de concentración, que comprende,
(a) Al menos una abertura de recogida
(b) Un primer eje óptico alineado con un primer eje de rotación
(c) Un segundo eje óptico alineado con un segundo eje de rotación,
(d) Un par de espejos del primer pliegue orientados a aproximadamente 45 grados con respecto a la luz entrante, que refleja la luz a lo largo del primer eje óptico,
(e) Un segundo espejo plegado orientado a unos 45 grados con respecto a la luz entrante, que refleja la luz a lo largo del segundo eje óptico
Una realización incluye un colector solar que comprende un prisma Risley.
En una realización adicional, el prisma Risley está fresnelizado.
En una realización adicional, el colector solar comprende un elemento óptico de concentración secundario.
En otra realización, el colector solar comprende un espejo de “tapa” para ayudar a prevenir la pérdida de energía durante la noche.
En una realización, se usa un fluido de transferencia de calor para extraer calor de un material de almacenamiento térmico sólido sustancialmente fijo.
En una realización, se proporcionan aberturas en los módulos de recolección y almacenamiento de energía para permitir que un fluido de transferencia de calor fluya a través de los módulos.
En una realización, se proporcionan huecos en el lecho de material de almacenamiento de energía.
En una realización, los módulos se acoplan entre sí para formar un conducto a través del cual fluye un fluido de transferencia de calor.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye debido a la convección forzada.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye debido a la convección natural.
En otra realización, el fluido de transferencia de calor fluye debido tanto a la convección forzada como a la convección natural.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye en uno o más circuitos cerrados.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye en uno o más circuitos abiertos.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye en un sistema híbrido que incluye elementos de circuitos abiertos y cerrados.
En una realización, los conductos o módulos adyacentes comparten una pared común.
En una realización, el fluido de transferencia de calor fluye sobre los módulos colectores además de fluir a través del interior de los módulos.
En una realización, el suelo está incluido en el almacenamiento de energía y / o material de aislamiento.
Una realización incluye un intercambiador de calor que extrae calor del fluido de transferencia de calor.
Otra realización incluye un campo de colectores solares, que comprende
(a) Una pluralidad de placas solares,
(b) Un cuadro que articula un primer eje de la matriz del colector, y
(c) Un enlace que articula un segundo eje de la matriz del colector.
Otra forma de realización incluye un sistema para la extracción de energía, que comprende
(a) un aparato para extraer el material de almacenamiento térmico calentado de un colector de energía solar térmica de estado sólido, y
(b) un intercambiador de calor para transferir el calor del material de almacenamiento térmico a otro medio.
Otra realización es un sistema para la generación de electricidad, que comprende:
(a) un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) un sistema de extracción de energía,
(c) Un aparato de generación eléctrica para convertir calor en electricidad.
En una realización, el sistema de generación de electricidad comprende una torre de corriente solar ascendente. En una realización, el sistema de generación de electricidad comprende un motor Brayton.
En una realización, el sistema de generación de electricidad comprende un motor Stirling.
En una realización, el sistema de generación de electricidad comprende un generador termoeléctrico.
Otra realización proporciona un medio para hacer fluir un fluido de transferencia de calor a través de un conducto fijo que contiene material de almacenamiento de energía térmica para la extracción de energía, incluyendo
Un mecanismo para hacer que el fluido de transferencia de calor se mueva, ya sea por convección forzada o natural,
Un mecanismo para convertir el calor en el fluido de transferencia de calor en una forma útil de energía,
a) Un mecanismo para recircular el fluido de transferencia de calor y/o agotar el fluido de transferencia de calor al medio ambiente, y/o extraer fluido de transferencia de calor nuevo en el sistema.
b) Otra realización incluye válvulas o deflectores para ayudar a controlar el flujo de fluido de transferencia de calor.
c) Otra realización incluye un colector donde el flujo de una pluralidad de conductos se combina entre sí, y/o donde el flujo de conductos individuales es estrangulado.
En otra realización, los módulos y / o el material de almacenamiento térmico y / o de aislamiento incluyen materiales disponibles a nivel local, incluyendo pero no limitado a la tierra en el lugar.
Otra realización es un método de generación de electricidad, que comprende los actos de:
(a) Concentrando la luz del sol,
(b) Transferencia de la luz solar desde el exterior de una región aislada al interior de una región aislada,
(c) Absorber y almacenar energía en un medio de almacenamiento térmico dentro de la región aislada, y
(d) usar el material térmico de almacenamiento térmico para proporcionar calor y generar electricidad.
Otra realización es un sistema para la purificación de agua, que comprende:
(a) a un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) un sistema de extracción de energía,
(c) Un aparato que utiliza calor para purificar el agua, ya sea directa o indirectamente.
Otra realización es un sistema para el riego de cultivos, que comprende:
(a) Un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) un sistema de extracción de energía,
(c) Un sistema de bombeo de agua.
Otra realización es un medio de transporte de realizaciones del colector de energía solar térmica de estado sólido a los sitios de bombeo.
Otra realización es un sistema para la alimentación de un sistema eléctrico fuera de la red, incluyendo
(a) Un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) Un sistema de extracción de calor,
(c) Un motor térmico para convertir calor en electricidad.
En una realización relacionada, el sistema eléctrico fuera de la red es una torre de telefonía celular.
Otra realización es un sistema para proporcionar agua caliente para complementar un calentador de agua existente, incluyendo
(a) Un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) Un mecanismo para transportar el calor recolectado al tanque de agua caliente del calentador de agua existente, y
(c) Un medio para controlar el flujo de calor recolectado al tanque de agua caliente.
Otra realización es un método para proporcionar un colector reubicable de energía de estado sólido solar térmica, que comprende los actos de
(a) Implementando un colector de energía solar térmica de estado sólido en un primer sitio,
(b) Operando el colector de energía solar térmica de estado sólido para proporcionar energía para uso en el sitio en o cerca del primer sitio,
(c) Retirando el colector de energía solar térmica de estado sólido del primer sitio después de un período de tiempo, y
(d) Replegando el colector de energía solar térmica de estado sólido a un segundo sitio.
Otra realización es un método de recolección, almacenamiento, transporte y uso de energía solar, que comprende los actos de
(a) Recogiendo y almacenando energía en un módulo de conducto,
(b) Acoplando operativamente módulos de conducto a un colector,
(c) Fluyendo un fluido de transferencia de calor a través de los módulos de conducto y el colector, y
(d) Extrayendo calor del fluido de transferencia de calor en el colector.
Otra realización proporciona al menos una pared común no aislada de la entre los conductos paralelos.
Otra realización es un método de recogida, almacenamiento, transporte y uso de la energía solar, que comprende los actos de
(a) Recogiendo y almacenando energía en un módulo de conducto,
(b) Haciendo fluir un fluido de transferencia de calor a través de los módulos de conducto mediante convección natural, y
(c) Extrayendo calor del fluido de transferencia de calor en el colector.
En otra realización, la convección natural se induce a través de las chimeneas de corriente ascendente y corriente descendente acoplados, y el calor se extrae a través de un intercambiador de contracorriente de calor que está acoplado operativamente a la chimenea(s).
Otra realización es un sistema para hervir agua, que comprende:
(a) Un colector de energía solar térmico de estado sólido, y
(b) Tubos incrustados en el lecho de material térmico, que entran y salen del contenedor aislado y que transportan agua o aire para calentar a temperaturas de ebullición o más.
Otra realización es un sistema para la alimentación de un sistema de un acondicionador de aire o enfriador, que comprende:
(a) Un colector de energía solar térmica de estado sólido,
(b) Un sistema de extracción de calor,
(c) Una unidad de absorción, adsorción u otra unidad de enfriamiento accionada térmicamente.
Otra realización es un sistema para recoger y almacenar la energía eólica y solar, que comprende:
(a) Un colector de energía solar térmica de estado sólido, y
(b) al menos una turbina eólica acoplada operativamente al sistema para producir calor que también se almacena en el medio de almacenamiento térmico.
Otra realización es un método de extracción de energía y el mantenimiento, que comprende los actos de:
(a) Transportando un contenedor aislado a una instalación de extracción y mantenimiento de energía,
(b) Retirando o abriendo una porción del contenedor aislado,
(c) Vaciando al menos una parte del material de almacenamiento térmico del contenedor aislado,
(d) Extrayendo energía del material de almacenamiento térmico,
(e) Rellenando al menos parcialmente el contenedor aislado con material de almacenamiento térmico, y (f) Reemplazando o cerrándola parte abierta o retirada del contenedor aislado.
Otra realización es un método en el que la parte retirada es una tapa que comprende de una cubierta de vidrio, un conjunto de colectores solares y una parte superior del contenedor aislado.
Otra realización es un método en el que el método de extracción de energía utiliza equipos de enfriamiento de sólidos a granel.
Otra realización es un método que comprende además una etapa de bombeo de vacío del aislamiento.
Otra realización es un método que comprende además una etapa de limpiar una parte retirada del contenedor aislado.
Otra realización es un proceso para vender energía solar, que comprende los actos de:
(a) Recolectando y almacenando energía solar térmica en un primer sitio,
(b) Transportando al menos un contenedor de energía térmica almacenada en un segundo sitio,
(c) Dejando al menos un contenedor en el segundo sitio por un período de tiempo para uso del cliente,
(d) recuperando al menos un contenedor del segundo sitio, y
(e) Cobrando al cliente por el uso del contenedor.
Otra realización es un procedimiento para proporcionar alivio de emergencia y / o de desastres, que comprende los actos de:
(a) Desplegando módulos a un sitio de desastre,
(b) Acoplando de forma operativa los módulos a equipos de socorro en casos de desastre y/o emergencia, (c) Reubicando los módulos según sea necesario, y
(d) Dejando los módulos in situ hasta que concluyan los servicios de socorro.
En una realización relacionada, el proceso de emergencia y / o de socorro en casos de desastre también incluye un primer acto adicional de mantener un inventario de módulos precargados en preparación para futuras emergencias. De acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un sistema para recibir, transferir y almacenar energía solar térmica, que incluye: un colector de energía solar de concentración; un conducto de transferencia; un material de almacenamiento térmico; y un contenedor aislado, el contenedor aislado que contiene el material de almacenamiento térmico, estando configurado el conducto de transferencia para transferir la energía solar recogida por el colector de energía solar al material de almacenamiento térmico a través de una pared del contenedor aislado.
En una realización, el conducto de transferencia incluye una óptica de transferencia de luz.
En una realización, el material de almacenamiento térmico es un material sólido.
En una realización, el material sólido incluye basalto.
En una realización, hay al menos una abertura en el contenedor aislado para permitir que un fluido fluya a través del contenedor.
En una realización, el sistema incluye una cubierta transparente sobre el colector de energía solar de concentración. En una realización, el conducto de transferencia tiene una entrada y una salida, y el sistema incluye una tapa móvil capaz de cubrir la entrada o la salida del conducto de transferencia.
En una realización, el sistema incluye un sistema de control autoalimentado, que incluye un panel fotovoltaico; electrónica de gestión de potencia; seguimiento de electrónica; y al menos un motor que está acoplado operativamente a los colectores de energía solar de concentración para hacer que apunten al sol.
En una realización, el sistema incluye un sistema de extracción de energía configurado para convertir calor a energía mecánica.
En una realización, el sistema está acoplado operativamente a
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un sistema de bombeo de agua. En una realización, el sistema está acoplado operativamente a un sistema de purificación de agua.
En una realización, el sistema está acoplado operativamente a un motor térmico.
En una realización, el sistema está acoplado operativamente a
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un generador eléctrico.
En una realización, el generador eléctrico está acoplado operativamente a un equipo sin conexión a la red.
En una realización, el equipo sin conexión a la red incluye una torre de teléfono celular.
En una realización, el sistema está acoplado operativamente a un calentador de agua caliente convencional que tiene un tanque de agua caliente, estando configurado el sistema para transportar el calor recogido al tanque de agua caliente, y configurado para regular el flujo de calor recogido al tanque de agua caliente.
En una realización, el colector de energía solar de concentración incluye un prisma Risley.
En una realización, el sistema incluye un tanque configurado para contener agua, y un sistema de circulación de aire configurado para transportar aire: primero a través del material de almacenamiento térmico, y segundo a través del tanque.
En una realización, el sistema incluye: un sistema de recuperación de aceite configurado para recibir energía del material de almacenamiento térmico.
En una realización, el sistema incluye: un sistema de minería configurado para recibir energía del material de almacenamiento térmico.
En una realización, el colector de energía solar de concentración incluye: al menos una abertura de recogida para recibir la luz entrante del sol, un primer eje óptico alineado con un primer eje de rotación, un segundo eje óptico alineado con un segundo eje de rotación, un par de los espejos del primer pliegue orientados a aproximadamente 45 grados con respecto a la luz entrante, que reflejan la luz a lo largo del primer eje óptico, y un segundo espejo de pliegue orientado a unos 45 grados con respecto a la luz entrante, que refleja la luz a lo largo del segundo eje óptico. En una realización, el colector de energía solar de concentración, el conducto de transferencia y el material de almacenamiento de energía están todos a una distancia de diez metros entre sí.
De acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un método de recolección y almacenamiento de energía, que incluye los actos de: usar un colector de concentración de energía solar para recolectar energía solar, usar una óptica de transferencia de luz para transferir la energía solar a través de una capa aislante, y absorbiendo y almacenando la energía transferida en un medio de almacenamiento de energía, la distancia entre el medio de almacenamiento de energía y el colector de energía solar de concentración es inferior a 10 metros.
En una realización, el medio de almacenamiento de energía es un sólido.
En una realización, el medio de almacenamiento de energía está fijo en su ubicación y esta sustancialmente inmóvil. En una realización, el método se realiza en la ubicación de un reciente desastre natural.
Breve descripción de los planos
La FIGURA 1 es una vista en perspectiva esquemática de una realización de almacenamiento y recolección de energía térmica ejemplar de la invención. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 2 es una vista recortada de la realización ejemplar de recolección y almacenamiento de energía térmica de la Figura 1, que muestra el interior del sistema. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 3 es una vista en sección de una parte de un sistema de recolección y almacenamiento de energía térmica, como se ve desde el extremo de la unidad, exponiendo los componentes ópticos de algunos de los colectores solares.
La FIGURA 4 es una vista adicional de los componentes ópticos de los colectores solares, que muestran aspectos del dispositivo relacionados con la transferencia de luz concentrada a través de la capa de aislamiento. La FIGURA 5 es una vista en perspectiva de los componentes ópticos de uno de los colectores solares. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 6 es una vista de una óptica de transferencia de luz simple para transportar luz concentrada a través de la capa de aislamiento. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 7 es una vista esquemática de una óptica de transferencia de luz que incluye una varilla de vidrio y una pajita de cerámica. La Figura 7 ha sido distorsionada (expandida) en la dirección horizontal para mayor claridad.
La FIGURA 8 es una vista en perspectiva de una serie de elementos ópticos de recolección, que podrían comprender una parte superior de un sistema de acumulación y almacenamiento de energía solar térmica. La FIGURA 9 es una lente de Fresnel que forma una de las dos aberturas de entrada en un módulo colector. La FIGURA 10A es una vista esquemática de la función de un espejo de pliegue primario en un módulo colector. La FIGURA 10B es una vista en perspectiva de la función de un espejo de pliegue primario en un módulo colector.
La FIGURA 11 es una vista desde arriba que ayuda a ilustrar el plano del espejo plegado secundario en un módulo colector.
La FIGURA 12 muestra el plano secundario del espejo plegado, y los ejes de rotación del espejo, de un módulo colector.
La FIGURA 13 es una vista en perspectiva de un módulo colector. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 14 es una vista en sección de un dispositivo de plegado terciario y un concentrador secundario asociado. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 15A es una vista en perspectiva de un mecanismo utilizado para articular el eje primario de los módulos colectores. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 15B es una vista en perspectiva de un mecanismo utilizado para articular el eje secundario de los módulos colectores. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 16 es un diagrama de bloques de un sistema de potencia y control que puede operar una realización de la invención.
Las FIGURAS 17A y 17B son vistas en perspectiva de una realización con una parte superior en ángulo. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 18 es un diagrama de bloques de una instalación de torre de teléfono celular que incluye una realización de la invención como fuente de alimentación.
La FIGURA 19 es un diagrama de bloques de un sistema de desalinización que incluye una realización de la invención como fuente de calor.
La FIGURA 20 es un diagrama de bloques de un sistema de irrigación agrícola que incluye una realización de la invención para proporcionar energía para impulsar una bomba de irrigación.
La FIGURA 21 es un diagrama de bloques de un sistema de enfriador comercial / industrial que incluye una realización de la invención para proporcionar calor para ayudar a impulsar un enfriador de absorción.
La FIGURA 22A es un diagrama de bloques de un sistema de caldera que incluye una realización de la invención para ayudar a precalentar el aire de combustión de la caldera.
La FIGURA 22B es un diagrama de bloques de un sistema de caldera que incluye una realización de la invención en la que el agua se hierve dentro del recipiente.
La FIGURA 23 es un diagrama esquemático de un método para proporcionar energía solar como un servicio. La FIGURA 24A es un diagrama esquemático de una planta de energía a escala de utilidad que incluye una pluralidad de realizaciones de la invención.
La FIGURA 24B es un diagrama de flujo de procesos que pueden ocurrir en el sitio de generación de energía de una planta de energía a escala de utilidad utilizando una realización de la invención.
La FIGURA 25 es un diagrama esquemático de una planta de recuperación asistida de petróleo que incluye una pluralidad de realizaciones de la invención.
La FIGURA 26 muestra una realización que incluye turbinas eólicas.
La FIGURA 27 muestra una realización que incluye "alas" para una capacidad adicional de recolección de energía solar.
La FIGURA 28 es una vista aérea de una pluralidad de realizaciones de la invención dispuestas junto a una carretera.
La FIGURA 29 es otra vista en perspectiva de otra pluralidad de realizaciones de la invención dispuestas junto a una carretera.
La FIGURA 30 muestra una realización que comprende un módulo de conducto a través del cual puede fluir un fluido de transferencia de calor. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 31 muestra una pluralidad de conductos acoplados operativamente para formar un conducto más largo. La figura está dibujada a escala.
La FIGURA 32 ilustra cómo se pueden acoplar los conductos utilizando características de superposición.
La FIGURA 33 ilustra el uso de una inclinación neta para ayudar a inducir la convección natural.
La FIGURA 34 ilustra el uso de una chimenea para ayudar a inducir la convección natural.
La FIGURA 35 ilustra el uso de una chimenea con un intercambiador de calor de contraflujo, ayudando tanto a transferir calor como a inducir la convección natural.
La FIGURA 36 ilustra un sistema fijo de recolección y almacenamiento de energía que proporciona energía a un hogar.
La FIGURA 37 ilustra un sistema de almacenamiento y recolección de energía de estado sólido a gran escala que incluye módulos de conducto.
La FIGURA 38 muestra un conjunto de módulos de conducto acoplados entre sí en un circuito abierto.
La FIGURA 39 muestra un conjunto de módulos de conducto acoplados en una serie de circuitos de ida y vuelta, y que comparten un colector común.
La FIGURA 40 muestra cómo se puede hacer que un fluido de transferencia de calor fluya sobre los colectores solares antes de ingresar al interior de un módulo.
Descripción detallada
Los sistemas, aparatos y métodos presentados en este documento describen un sistema de recolección y almacenamiento de energía solar que comprende un lecho de material con óptica de concentración próxima. Las realizaciones descritas en este documento son ejemplares y no representan todas las posibles realizaciones de los principios enseñados por la invención. En particular, las realizaciones de la invención tienen una aplicación directa en los campos de la concentración de energía solar y el calentamiento térmico solar. Sin embargo, los expertos en la técnica pueden aplicar y adaptar el aparato y los métodos descritos aquí para usar en cualquier aplicación alternativa que requiera calor almacenado.
Se han usado varios términos a lo largo de este documento, y este párrafo resume su significado. Un "módulo" comprende un colector de energía solar de concentración, una región aislada, un conducto de transferencia para transferir la energía recibida desde el exterior de la región aislada al interior y un material de almacenamiento de energía térmica. En un “módulo de almacenamiento de energía térmica y solar térmica de estado sólido”, el material de almacenamiento de energía comprende un sólido. Un "conducto de transferencia" o "conducto de transferencia de energía" comprende un medio para transferir energía solar concentrada desde el exterior de la región aislada de un módulo al interior. Un "conducto de transferencia de luz" u "óptica de transferencia de luz" comprende un conducto de transferencia que transfiere la energía como luz concentrada. Un "conducto" comprende una región aislada con aberturas para permitir que un fluido entre y salga de la región aislada. Un conducto también puede comprender además un colector de energía solar de concentración, un conducto de transferencia para transferir la energía recibida desde el exterior de la región aislada al interior, y un material de almacenamiento de energía térmica. Dicho conducto puede denominarse "módulo de conducto". Un "contenedor" comprende un módulo. Un contenedor puede comprender un módulo portátil. Un módulo puede comprender una cubierta extraíble.
Con referencia a las Figuras 1 y 2, se muestra un sistema de captación de energía solar térmica de estado sólido 1 que consiste en un lecho de material de almacenamiento de energía térmica 3. El sistema 1 también incluye un contenedor 5 con una capa interior de aislamiento 7 y una fuente de inyección de energía próxima 9. La capa de aislamiento 7 forma una cavidad sustancialmente cerrada 11 en la que descansa el material de almacenamiento de energía térmica. La cavidad 11 puede no estar completamente llena de material, pero puede dejar un espacio 12 entre la parte superior de la cama y la parte inferior de la capa superior de aislamiento.
En una realización, el lecho del material 3 de almacenamiento de energía térmica está en forma de agregado sólido, en forma o polvo, escamas, granos, guijarros o similares, pero se puede usar cualquier material conveniente, incluidos, entre otros, materiales de cambio de fase o líquidos como las sales fundidas.
En una realización alternativa, el lecho de material de almacenamiento de energía térmica puede comprender uno o más bloques sólidos de material. Dado que un bloque sólido de material puede ser difícil de extraer de la cavidad 11, una realización puede introducir una serie de tuberías o tubos en el lecho de material para ayudar con la inyección o extracción de calor.
En una realización ejemplar, la fuente de inyección de energía 9 comprende un conjunto de uno o más colectores solares de concentración 13 como se muestra en la Figura 2, pero se puede usar cualquier fuente de energía conveniente, incluyendo, entre otros, viento, electricidad de la red o alguna fuente externa de calor.
En una realización donde la fuente de inyección de energía 9 comprende un conjunto de colectores solares de concentración 13, como se muestra en la Figura 2, el sistema 1 también puede incluir una cubierta transparente 15 para el conjunto de colectores 13, para ayudar a protegerla del viento, la lluvia y la suciedad, y otras fuerzas ambientales. En una realización, los componentes del sistema están todos próximos entre sí. Por ejemplo, la distancia entre el material de almacenamiento de energía y uno de los colectores puede ser inferior a 10 metros, o inferior a 5 metros, o incluso menor. En una realización, la distancia entre el material de almacenamiento de energía y una de las cubiertas transparentes es inferior a 10 metros, o inferior a 5 metros, o incluso menor. Como se usa en el presente documento, la distancia entre dos elementos es la distancia más corta, es decir, la distancia entre los puntos respectivos en los dos elementos que está más cercano uno del otro.
En una realización, la invención almacena energía solar en forma de calor sensible, es decir, elevando la temperatura del material de almacenamiento de energía 3 a una temperatura superior a la ambiental.
Una realización alternativa de la invención usa el calor latente de un material de cambio de fase. En una realización, el lecho de material de almacenamiento térmico puede comprender aluminio, que se fundirá una vez que alcance una temperatura suficientemente alta. Otra realización puede comprender una mezcla eutéctica.
Una realización alternativa puede almacenar energía como calor sensible en un líquido tal como sales fundidas. Una realización almacena calor sensible al calentar un material de almacenamiento de energía sólido tan alto como 2000°F (~ 1100°C), o incluso más. Se pueden usar temperaturas tan altas como 1400°C con materiales que son fácilmente disponibles. Todavía son posibles temperaturas más altas, como 1550°C, con materiales más exóticos. Una realización incluye grafito (en forma de polvo o escamas) como material de almacenamiento de energía solar térmica 3, mientras que otra realización incluye arena de sílice ordinaria, mientras que otra incluye arena de basalto, pero otros materiales con cualidades similares pueden ser sustituidos por estos materiales. Una realización que utiliza un material parecido a un grano puede ayudar a simplificar la extracción de la energía térmica.
La extracción de energía puede tomar muchas formas. Si bien el sistema de acumulación y almacenamiento de energía solar térmica de estado sólido es en sí mismo una realización independiente de acuerdo con la invención, existen sistemas expandidos que también pueden incluir sistemas y métodos para extraer la energía almacenada. Una realización de tal sistema expandido usa un intercambiador de calor de sólido a fluido. Dichos productos son conocidos en la industria del enfriamiento de sólidos a granel, donde se utilizan para enfriar partículas calientes. Uno de estos productos está fabricado por Solex Thermal (Patente de EE. UU. 8.578.624). La investigación actual sobre el concepto de "receptor de partículas en caída" por Ho et al en Sandia National Laboratories contempla de manera similar un intercambiador de calor de este tipo. Un intercambiador de calor incluye una serie de tubos a través de los cuales fluye un fluido, y luego el material sólido se vierte sobre los tubos. En una realización, el intercambiador de calor tiene una forma de reloj de arena, con material sólido que se vierte en la parte superior, fluye sobre los tubos en el cuerpo y luego sale por una boca estrecha en la parte inferior.
Otra realización 201, que se muestra en la Fig. 30, reemplaza el contenedor 5 de la Fig. 1 con un conducto aislado 205 que incluye aberturas 204 que permiten que un fluido fluya a través de la cavidad 211 sobre el material de almacenamiento de energía 203, como lo ilustran las flechas de flujo de entrada 213 y flechas de flujo de salida 215. Al igual que la realización de la Fig. 1, esta realización incluye el aislamiento 207 y la fuente de inyección de energía próxima 209. Otras realizaciones incorporan las numerosas variaciones posibles con la realización de la Fig. 1. El conducto aislado de la figura 30 se puede utilizar en una realización del sistema de recolección y almacenamiento de energía que se fija nominalmente en su lugar. En esta realización, se puede extraer calor del material de almacenamiento 203 haciendo fluir un fluido de transferencia de calor a través de la cavidad 211 del conducto. En una realización, un espacio 212 proporciona un espacio a través del cual puede fluir el fluido de transferencia de calor.
En otra realización, el fluido de transferencia de calor puede en cambio, o también, fluir a través de vacíos en el lecho del material de almacenamiento 203. A modo de ejemplo, si el material es grava, el aire puede fluir a través de los espacios de aire entre las piezas de grava. Dicho flujo tendería a ser lento, pero también implicaría un intercambio de calor significativo debido a la alta área de superficie de la grava y el largo tiempo de permanencia del aire.
Una realización que incluye un conducto aislado puede comprender una pluralidad 215 de conductos aislados acoplados entre sí, como se muestra en la Fig. 31. Por ejemplo, los conductos pueden acoplarse de extremo a extremo para formar un conducto más largo. Los conductos se pueden acoplar en serie, en paralelo, o en ambos, o en cualquier combinación conveniente. Como en la Fig. 30, los conductos pueden incluir una fuente de inyección de energía 209, y también pueden incluir material de almacenamiento 203, o simplemente pueden configurarse para transportar fluido de transferencia de calor, como se ilustra en los segmentos de conducto no-colector 217.
Donde se acoplan los conductos, pueden incluir características de superposición 219 como se muestra en la Fig. 32, para ayudar a conectar y unir los conductos 221, para adaptarse a la expansión térmica u otras funciones útiles. Una realización que incluye un conducto aislado puede proporcionar un medio para hacer que el fluido de transferencia de calor fluya a través del conducto, ayudando a transportar el calor a un lugar donde se pueda convertir en trabajo u otra forma útil de energía. Como el flujo del fluido de transferencia de calor puede ser controlado por cualquier combinación útil de válvulas, deflectores, ventiladores, turbinas o similares. El flujo del fluido de transferencia de calor puede ser instigado por convección forzada (es decir, ventiladores, etc.) o se pueden proporcionar medios para hacer que ocurra una convección natural, aprovechando el hecho de que el fluido calentado que sale de un conducto es generalmente más flotante que el fluido nominal más frío que entra en un conducto.
Como se muestra en la Fig. 33, una realización puede inducir la convección natural colocando el conducto o grupo de conductos 231 de tal manera que haya una inclinación neta, de modo que el escape 235 del (los) conducto (s) sea más alto que la entrada 233 la figura 34 ilustra el uso de una chimenea 241 en el escape 239 de un conducto 237. En esta realización, los conductos pueden colocarse nominalmente todos al nivel del suelo, con la chimenea proporcionando una diferencia de elevación que ayuda a inducir la convección.
Tanto los sistemas de flujo forzado como los de convección natural pueden estar abiertos o cerrados. Un sistema abierto extrae un fluido de transferencia de calor nuevo de un depósito (por ejemplo, el aire ambiental del entorno) y lo expulsa a un depósito de recolección (de nuevo, esto puede ser aire en el ambiental del entorno). Un sistema cerrado recircula su escape de vuelta a la entrada. Un sistema ejemplar extraerá calor del escape, convirtiéndolo en trabajo u otra forma útil de energía, lo que resultará en el enfriamiento del escape. Este fluido enfriado puede luego recircularse nuevamente a través del sistema para extraer calor adicional del material de almacenamiento térmico. Todos los tipos de convección forzada y natural se pueden usar con sistemas abiertos o cerrados. Una realización de un sistema de chimenea cerrada se muestra en la Fig. 35. Como se muestra en la figura, los conductos 240 forman un circuito que proporciona flujo de aire a través de la chimenea 243. Un contraflujo el intercambiador de calor 242 puede incluirse tanto en la parte de corriente ascendente 245 como en la parte de tiro descendente 247 de la chimenea 243. Una barrera 246 separa los conductos y las dos partes de la chimenea. En la figura, la parte más fría del intercambiador de calor está en la parte de tiro descendente, mientras que la parte más caliente está en la parte de corriente ascendente. Esta configuración tiene la propiedad de que el fluido se enfría a medida que sube por la chimenea, perdiendo flotabilidad. Luego se enfría aún más a medida que desciende por la parte de la corriente descendente, ganando densidad y hundiéndose naturalmente. En la figura, la flecha ascendente 249 indica que el líquido se está calentando, mientras que la flecha 251 indica que se está hundiendo. Mientras tanto, el fluido frío 252 ingresa al intercambiador de calor de contraflujo, mientras que el fluido caliente 254 sale del intercambiador de calor y está disponible para producir otras formas de energía.
Una realización de un sistema que utiliza energía térmica acopla módulos de conducto de recolección o contenedor, o ambos, a cualquier proceso que haga uso del calor. Una realización puede incluir uno o más componentes que generan electricidad al incluir motores Stirling, motores de vapor, calderas y turbinas de vapor, turbinas de gas que incluyen aquellas que operan en el ciclo de Brayton, generadores termoeléctricos, etc.
Otra realización puede usar el calor para producir una fuerza motriz o para algún otro beneficio, como en bombas accionadas por calor, enfriadores y acondicionadores de aire, calderas y sistemas de desalinización. Cualquier sistema que incluya la conversión útil del calor almacenado para trabajar u otra forma de energía representa una realización útil de la invención.
La modularidad y la escalabilidad de ambos tipos de sistemas de recolección permiten realizar realizaciones que pueden usarse con fines de calefacción o energía doméstica, con fines comerciales o industriales, o generación de energía a escala de servicios públicos. La Figura 36 muestra una realización de un sistema de energía doméstica 255 montado en patas fuera de una casa 257. En la figura, la energía es recolectada por uno o más colectores de energía solar 259, transferida a través del aislamiento 261 por el conducto de transferencia de luz 263, y absorbida en energía térmica material de almacenamiento 265. Cuando el hogar necesita energía, un ventilador, una válvula u otro dispositivo 267 causa o permite que el aire fluya a través del módulo. Un dispositivo de conversión de energía 269 convierte la energía en una forma útil (que incluye electricidad, agua caliente, aire caliente, aire frío o cualquier forma útil), que luego se transmite a la casa como se indica en la flecha 271. Otra realización puede montarse en el techo de un edificio, posiblemente aprovechando la pendiente del edificio para ayudar a inducir la convección natural.
Una realización útil incluye el transporte de la energía recolectada y almacenada, ya sea en distancias cortas, como, por ejemplo, un kilómetro o menos, a una instalación de conversión de energía central en una planta de energía a escala de servicio público, o en distancias largas, por ejemplo, diez kilómetros o más, como para un usuario final que requiere calor para algún proceso. Dichos procesos pueden incluir procesos residenciales (p. Ej., aire acondicionado), comerciales (p. Ej., Pasteurización), industriales (p. Ej., secado o cocción de calderas) o de utilidad (desalinización o EOR (Recuperación Asistida de Petróleo)).
Con referencia a la Fig. 2, la capa de aislamiento 7 es un componente clave de la realización. Una realización bien aislada puede permitir que solo un 1% del calor almacenado se escape cada día. A las temperaturas involucradas, un experto en la técnica apreciará que esto puede requerir 30 a 60 cm de aislamiento, dependiendo de la composición del aislamiento. Sin embargo, algunas realizaciones pueden incluir sustancialmente más o sustancialmente menos aislamiento. En algunas realizaciones, el aislamiento tiene entre 0,1 metros y 5,0 metros de espesor.
Se puede utilizar cualquier aislamiento conveniente. Una realización puede reutilizar los materiales de aislamiento utilizados en la industria refractaria (refinación de metales). Sin embargo, tales aislamientos a veces pueden ser costosos. Especialmente a nivel de utilidad, la oportunidad de comprar material a granel puede presentar nuevas oportunidades. Una realización incluye material aislante que comprende sílice pirógena, que se puede comprar a granel a precios muy bajos. Otra realización comprende material aislante que comprende espuma de cemento, por ejemplo, el producto comercial Airkrete.
Se puede usar cualquier número de materiales aislantes diferentes. Un experto en la materia apreciará que diferentes materiales se adaptan mejor a diferentes rangos de temperatura, por lo que una realización ejemplar incluye una "pila" de materiales aislantes, con un primer material más cerca del lecho del material de almacenamiento térmico 3, mientras que un segundo material es más cerca de la superficie del contenedor 5, donde las temperaturas son más frías.
Con el fin de mejorar las propiedades aislantes de los materiales seleccionados, puede ser útil usarlos al vacío. Por lo tanto, en una realización útil, el aislamiento 7 comprende un revestimiento exterior, que contiene el material aislante. La cubierta externa es generalmente hermética y su interior bombeado sin aire, por ejemplo, hasta un nivel de vacío tan bajo como 1 Torr, o incluso más bajo.
La piel exterior puede o no proporcionar la resistencia estructural para soportar la compresión debida a fuerzas de vacío. Por lo tanto, en una realización, los soportes estructurales internos adicionales ayudan a mantener las pieles separadas. Estas estructuras de soporte pueden incluir material como ladrillo refractario, que es razonablemente aislante pero también estructuralmente fuerte, o pueden incluir cualquier material conveniente.
Con referencia adicional a la Figura 3, en una realización, el conjunto de colectores solares de concentración 13 comprende uno o más colectores de concentración individuales 17. La Figura 3 muestra una vista de un par de colectores solares y su relación con el aislamiento 7 y el material de almacenamiento térmico 3. Como se muestra en la figura, una realización de un colector solar trae un cono de luz convergente 19 a un foco 21, donde está listo para ser transferido al lecho del material de almacenamiento térmico 3.
Un desafío de ingeniería interesante para producir una realización práctica de la invención, que requiere una etapa inventiva significativa, dado que el aislamiento puede ser bastante grueso, es transferir la luz concentrada desde su punto focal 21 al interior de la cavidad 11 (de la Figura 2) sin permitir que el calor escape hacia afuera a través del aislamiento.
En la Figura 4 se muestra un enfoque. La figura muestra una realización con una capa de aislamiento 7 que proporciona conductos de transferencia 23 a través del aislamiento, de modo que la luz concentrada puede alcanzar el interior de la cavidad 11 (de la Figura 2).
Un experto en la materia apreciará que estos conductos de transferencia perderán menos calor debido a la convección y la radiación si se hacen de menor diámetro.
La pérdida de calor debida a la radiación sigue la Ley de Stefan-Boltzmann. Un experto en la materia apreciará que la temperatura máxima que puede alcanzar el material dentro de la cavidad está relacionada con el factor de concentración de la luz solar incidente en el puerto de entrada del conducto de transferencia. A modo de ejemplo, si se usa un factor de concentración de 500, teóricamente es posible una temperatura interna de hasta aproximadamente 1400°C. Los factores de mayor concentración conducen a temperaturas internas teóricas aún más altas. La temperatura interna máxima teórica es la temperatura a la cual la re-radiación del lecho caliente del material está en equilibrio con la inyección de nueva radiación de los colectores solares.
Debido a este fenómeno de re-radiación, por la noche, o en cualquier momento en que la luz solar no esté disponible, puede ser conveniente "tapar" el puerto para evitar que la radiación salga. Una forma conveniente de hacer esto es proporcionar un espejo pequeño que cubra el puerto en cada extremo. Para simplificar la ingeniería, una realización proporciona una tapa en el extremo de entrada del puerto, donde las temperaturas son frescas. En la Figura 5 se muestra un lugar donde se puede colocar el tapón. Por la noche, o si hay suficiente luz disponible para proporcionar más calentamiento, un espejo del tapón puede deslizarse o voltearse para reflejar posibles pérdidas de radiación hacia el interior de la cavidad. La figura 5 muestra una abertura en el foco 21 que alimenta uno de los conductos de transferencia 23; Este es un lugar donde se puede colocar un espejo para ayudar a prevenir la pérdida de calor.
Si bien un simple puerto angosto no terminado a través del aislamiento es una realización para un conducto de transferencia para transferir luz desde el punto focal 21 a un puerto de salida 27 próximo al interior de la cavidad 11 y su espacio 12, otra realización que administre mejor la luz concentrada puede ser útil. Es deseable transferir un alto porcentaje de la luz al interior con una pérdida mínima.
Una realización de un conducto de transferencia incluye una óptica de transferencia de luz que comprende un tubo hueco redondo o rectangular 28 de acero inoxidable pulido, como se muestra en la Figura 6. Esta realización tiene dos propiedades deseables: es altamente reflectante, por lo que las pérdidas se reducen y el acero inoxidable es tolerante de altas temperaturas.
Otra realización comprende una varilla de vidrio con un revestimiento de espejo en su exterior. El desafío para esta realización, sin embargo, es que puede ser costoso proporcionar un revestimiento de espejo que pueda soportar las altas temperaturas de 1000 ° C o más que pueden estar presentes en el puerto de salida.
Una realización útil, por lo tanto, aprovecha el fenómeno de la reflexión interna total (TIR), que proporciona reflexiones sin pérdidas teóricas sin requerir un revestimiento de espejo.
La figura 7 muestra una realización para una óptica de transferencia de luz. Comprende una barra de vidrio 29, encerrada en una "pajita" de cerámica delgada 31. En una realización ejemplar, la barra de vidrio puede comprender un vidrio adecuado para uso a alta temperatura, incluyendo pyrex, o incluso sílice fundida. Sin embargo, cualquier vidrio adecuado servirá.
La física de TIR requiere que nada toque la barra de vidrio; De lo contrario, la luz puede filtrarse en los puntos de contacto. En una realización, un espacio de aire estrecho 33 (que se muestra con marcas de control horizontales) es, por lo tanto, provisto por la pajilta de cerámica 31, que no contacta sustancialmente con la barra de vidrio, brindando contacto solo cuando sea necesario para ayudar a sostener la barra. La paja de cerámica proporciona un montaje conveniente para el manejo y la instalación, es un buen aislante y protege la barra de vidrio del polvo. El espacio de aire 33 proporciona una trayectoria (no deseable) para pérdidas por convección, por lo que se mantiene estrecho en esta realización, tan estrecho como un milímetro. Sin embargo, se puede usar cualquier ancho de espacio conveniente. A modo de ejemplo, el espacio puede ser tan ancho como 1 cm, o incluso tan ancho como 5 cm, o incluso más ancho.
En una realización ejemplar, las pérdidas por convección son controladas por arandelas 34 en la parte superior e inferior del tubo. La arandela en la parte inferior del tubo puede comprender cerámica para tolerancia a la temperatura. La arandela en la parte superior también puede comprender cerámica, pero cualquier material conveniente servirá.
Se puede lograr un mayor control de la convección agregando arandelas adicionales (a menudo delgadas) a lo largo de la barra, si se desea. Cualquier punto de contacto tenderá a provocar alguna pérdida de luz, por lo que se puede usar la ingeniería para guiar el equilibrio entre la energía perdida por la convección y la luz perdida.
En una realización, el conducto de transferencia es sustancialmente recto.
En una realización, el conducto de transferencia comprende un componente de transferencia de energía que es sustancialmente un monolito sólido de material.
Con referencia a la Figura 2, una realización típica puede incluir un espacio 12 entre el lecho de material de almacenamiento de energía térmica 3 y la capa superior del aislamiento 7. Un experto en la técnica apreciará que la energía solar concentrada extremadamente intensa puede surgir de la salida el puerto 27 del conducto de transferencia de luz 23 de la Figura 4. Si bien existen muchos materiales de almacenamiento de energía 3 que pueden tolerar este nivel de radiación, un dispositivo puede elegir evitar concentraciones de calor innecesarias dentro del material al proporcionar un espacio 12.
Al proporcionar un espacio 12, la luz que emerge del conducto de transferencia 23 tiene espacio para expandirse en un cono 35, como se muestra en la Figura 7, antes de alcanzar el material de almacenamiento de energía. Esto ayuda a difundir el calor de manera más uniforme, lo que ayuda de muchas maneras prácticas.
Otra realización que puede tener utilidad práctica en algunas aplicaciones utiliza otro tipo de conducto de transferencia para transferir energía desde el punto focal 21 al interior de la cavidad 11. En una realización, el conducto de transferencia es una simple varilla conductora de calor, que comprende un metal como el acero. En esta realización, la luz en el punto focal se absorbe en la varilla y se transmite hacia el interior por conducción térmica. Si bien este proceso tiende a ser ineficiente y con pérdidas en comparación con el conducto de transferencia de luz, puede ser de bajo costo y puede ser útil, especialmente en sistemas que operan a temperaturas más bajas.
En una realización, el conducto de transferencia es largo y delgado. A modo de ejemplo, el conducto de transferencia puede ser al menos diez veces más largo que ancho, o incluso veinte veces más largo, o incluso más largo.
En una realización, el conducto de transferencia proporciona transporte a través de un espesor sustancial de aislamiento, hasta 10 cm, o 50 cm, o incluso hasta un metro o incluso más grueso. La larga longitud del conducto de transferencia ayuda a habilitar una capa de aislamiento gruesa, minimizando la pérdida de energía. Del mismo modo, un conducto delgado ayuda a minimizar las pérdidas de conducción y convección a través del conducto en sí mismo, que normalmente no es tan buen aislante como el material aislante.
Independientemente de la realización del conducto de transferencia, una realización de la invención puede proporcionar el material de almacenamiento térmico próximo al sistema de recolección de energía.
Para lograr una transferencia eficiente de la luz enfocada 21 al interior 11 de la cavidad, es deseable que la luz incidente se proporcione tanto en la ubicación apropiada como con un rango limitado deseado de ángulos de incidencia. Esta tarea es tarea de los colectores solares de concentración 17.
Si bien es posible proporcionar colectores sin seguimiento, las altas concentraciones requeridas para alcanzar altas temperaturas (400°C a 1000°C o más) generalmente requerirán un colector de seguimiento.
Aunque se puede utilizar cualquier colector de seguimiento conocido por un experto en la técnica, en las figuras 8-14 se muestra una realización de un colector de seguimiento.
Un colector solar de concentración 17 (Figura 5) redirige la radiación solar incidente hacia el material de almacenamiento térmico 3. Una realización de una fuente de inyección de energía comprende un conjunto de colector solar 13, que comprende colectores individuales acoplados mecánicamente a un marco 37, como se muestra en la Figura 8.
Cada colector solar de concentración incluye una abertura de entrada para recibir la radiación solar incidente y una abertura de salida a través de la cual envía esta radiación al material de almacenamiento térmico. Para minimizar las pérdidas térmicas debidas a la convección y la radiación, es ventajoso que las aberturas de salida sean sustancialmente más pequeñas que las aberturas de entrada. La relación entre las aberturas de entrada y salida es la relación de concentración geométrica del conjunto óptico.
Para recoger la radiación solar, el conjunto óptico de concentración 17 debe apuntar las aberturas de entrada sustancialmente hacia el sol. Esto requiere que las placas tengan uno o más grados de libertad. En una realización ejemplar, las placas tienen dos grados de libertad de rotación.
En una realización ejemplar, el conjunto óptico de concentración 17 suministra radiación solar al material de almacenamiento térmico a través de conductos de transferencia fijos 23 en el material aislante. Por lo tanto, el conjunto óptico de concentración debe proporcionar un medio para transportar la radiación solar desde las aberturas de entrada articuladas a las aberturas de salida fijas. Una realización incluye una combinación de elementos ópticos de concentración y espejos plegables. En particular, una realización ejemplar incluye dos ópticas de concentración y cinco espejos plegados (con uno de los espejos plegables que tiene dos lados, actuando efectivamente como dos espejos).
En una realización ejemplar, que se muestra en la Figura 9, la abertura de entrada es una lente de Fresnel de foco rectangular de punto 39 que tiene longitud L, ancho W y distancia focal f. Para mayor claridad asumiremos que L >= W. La radiación solar incidente sustancialmente normal al plano de la lente se concentra en el foco nominal de la lente 41. En una realización, el conjunto óptico de concentración incluye una pluralidad de lentes de Fresnel que se articulan de manera que cada lente gira alrededor de su punto focal. En la práctica, la implementación de tal mecanismo puede ser poco práctica, ya que requiere que los ejes de rotación coincidan con el plano objetivo. Consecuentemente, una realización típica permite la articulación de la abertura de entrada no coincidente con el enfoque del sistema óptico.
Se observa que al girar el Fresnel alrededor de su eje óptico 43 no se altera la ubicación del foco 41. La modificación del eje óptico con espejos plegables permite ventajosamente que las partes del conjunto óptico se articulen sin mover el foco.
En una realización, un espejo de pliegue primario 45 se coloca, por lo tanto, con relación a la lente de Fresnel para redirigir los rayos de enfoque en una dirección generalmente ortogonal al eje óptico 43 del Fresnel, como lo indica el eje óptico plegado 47, con el espejo de pliegue trayendo la luz a un nuevo punto focal 49. Esto se muestra en la Figura 10A en una vista lateral y en la Figura 10B en una vista en perspectiva.
El espejo de pliegue primario 45 está orientado a aproximadamente 45 grados con respecto al eje óptico 43 de la lente de Fresnel 39, y redirige los rayos a una dirección que generalmente está alineada con el eje óptico plegado 47. La distancia desde la lente de Fresnel al espejo de pliegue a lo largo del eje óptico dicta el tamaño del espejo de pliegue requerido para intersectar la pirámide de rayos desde el Fresnel. El aumento de la distancia tenderá a permitir que una realización útil reduzca el tamaño del espejo de plegado y mueva el foco reflejado 49 más cerca del eje óptico original 43. El eje óptico efectivo 47 del haz reflejado define un eje alrededor del cual el espejo Fresnel y el espejo plegable pueden girar sin afectar la ubicación del foco 49. En consecuencia, la posición del espejo de pliegue primario 45 puede elegirse para definir ventajosamente un eje de rotación del conjunto de concentración. Para mayor claridad, definimos este eje de rotación, que coincide con el eje óptico efectivo 47, como el eje de punta. En una realización ejemplar, para permitir la articulación de la lente de Fresnel y el espejo de pliegue primario alrededor de un segundo eje de rotación, se incluye un espejo de pliegue secundario. Este espejo plegable puede colocarse antes del foco redirigido 49 y orientarse de manera que los rayos se redirijan perpendicularmente al eje de rotación de la punta y coincidan con el eje de rotación primario. Para mayor claridad, definimos este nuevo eje de rotación como el eje de inclinación 53. En una realización ejemplar, el espejo plegado secundario es lo suficientemente grande como para reflejar los rayos en todo el rango de rotación del eje de la punta.
La Figura 11 muestra una proyección de la vista superior de la lente de Fresnel 39 y el espejo de pliegue primario 45. El espejo de pliegue secundario está ubicado en un plano 51 que intersecta los ejes de rotación primario y secundario y generalmente es ortogonal al plano definido por estos ejes. En una realización ejemplar, el ángulo entre el plano 51 y el eje de rotación secundario 47 es de alrededor de 45 grados.
La Figura 12 es una vista en perspectiva del Fresnel 39, el espejo de pliegue primario 45 y el plano del espejo de pliegue secundario 51. Una posible extensión mínima del espejo de pliegue secundario está determinada por la intersección del plano de espejo de pliegue secundario 51 y los rayos extremos del espejo de pliegue primario 45 a medida que gira alrededor del eje de la punta 47. Los rayos extremos emanan de las esquinas del espejo de pliegue primario y pasan a través del foco 49 en el eje de la punta. Las intersecciones de estos rayos con el plano de espejo secundario definen una elipse que es el lugar de las intersecciones de estos rayos extremos con el plano. En una realización, esta elipse define una extensión mínima del espejo de pliegue secundario. En una realización, el espejo plegado secundario es una elipse 55 que tiene una forma definida por estos loci de puntos. En una realización alternativa, el Segundo espejo secundario es otra forma que forma un superconjunto de estos lugares de puntos. El espejo de plegado secundario 55 refleja los rayos a un foco que se encuentra en el eje de inclinación 53. Esto permite ventajosamente que el Fresnel 39, el espejo de plegado primario 45 y el espejo de plegado secundario 55 giren alrededor de este eje como un cuerpo rígido y no afecten el punto focal de El sistema óptico. Sin embargo, debido a que puede no ser práctico tener el enfoque del sistema óptico a lo largo del eje de inclinación, en una realización ejemplar, se puede colocar un espejo plegado terciario 57 antes del enfoque para redirigir los rayos en una dirección más adecuada.
En la figura 13, el plano de espejo terciario se define para intersecar el eje de inclinación a una distancia (d) antes del foco virtual. El plano del espejo terciario forma aproximadamente un ángulo de 45 grados con respecto al eje de inclinación. En una realización, el plano del espejo terciario está orientado de tal manera que el eje óptico en el foco del conjunto óptico es sustancialmente paralelo al vector normal del plano objetivo 63. En otra realización, el plano del espejo terciario está orientado de tal manera que el enfoque del ensamblaje del óptico se encuentra en un ángulo fijo respecto al vector normal del plano objetivo térmico. En tal realización, el ángulo puede elegirse ventajosamente para desviar los rangos de articulación en uno o más ejes de rotación debido a la latitud de la instalación.
Una extensión mínima del espejo plegado terciario es una elipse definida por la intersección de los rayos del espejo plegado secundario al foco virtual y el plano del espejo plegado terciario.
Un aspecto clave de este diseño óptico es que el foco 59 del conjunto óptico de concentración después del pliegue terciario 57 es fijo e independiente de la articulación de los elementos del conjunto colector sobre los ejes de inclinación y punta. La ubicación del foco en una realización puede no coincidir con el plano objetivo 63. Para suministrar la radiación solar al plano objetivo, se puede incluir en el conjunto óptico el llamado elemento de concentración secundario 61 para que actúe como un tubo de luz de concentración para transportar radiación desde el foco 59 al plano objetivo 63. En una realización, el concentrador secundario puede ser un reflector cónico truncado hueco que tiene una abertura de entrada proximal al foco 59 del conjunto óptico, como se muestra en la Figura 14. El diámetro de la abertura de entrada se puede elegir ventajosamente para tener en cuenta las tolerancias de puntería y otras para ayudar a asegurar que la radiación incidente se recolecte y se envíe al plano objetivo. El diámetro de la abertura de salida se puede elegir ventajosamente para proporcionar una concentración geométrica adicional.
Las funciones del concentrador secundario y el conducto de transferencia de luz se pueden combinar. A modo de ejemplo, una realización incluye un conducto de transferencia de luz cónico, cuya área de apertura de entrada es más grande que su área de apertura de salida.
En otra realización, el conducto de transferencia de luz puede tener una abertura de salida mayor que la abertura de entrada. Si bien esto tendería a reducir la concentración y la temperatura máxima, puede tener otros beneficios útiles.
En una realización, la relación del área de apertura de entrada a salida puede ser tan baja como 0.1 o incluso más baja, otan alta como 10,0 o incluso más alta.
Un aspecto clave de una realización es la naturaleza "compartida" del espejo secundario 55. Mientras que en una realización el colector 17 incluye dos lentes colectoras 39 como se muestra en la Figura 13, las dos aberturas comparten un plano secundario común 51, y por lo tanto pueden compartir un Óptica secundaria común 55, si es de doble cara. La realización ilustrada, por lo tanto, incluye un espejo secundario 55 que se refleja en ambos lados. En una realización alternativa, el concentrador secundario 61 es un cilindro hueco. En otra realización alternativa, el concentrador secundario es un cono troncado rectangular hueco. En otra realización alternativa, el concentrador secundario es un tubo rectangular hueco. En otra realización alternativa, los elementos concentradores secundarios mencionados anteriormente son elementos transparentes sólidos que dependen de la reflexión interna total para suministrar la radiación solar al plano objetivo. En la práctica, se puede utilizar cualquier forma conveniente que transporte los rayos desde el foco 59 al plano objetivo 63.
En otra realización, se puede usar un sistema óptico alternativo que usa un prisma Risley para ayudar a dirigir el haz de luz solar incidente. El sistema óptico desarrollado y comercializado porZettasun, Inc. de Boulder, Colorado (solicitud de patente de EE.UU. 2010/0175685), cuya totalidad se incorpora aquí como referencia, utiliza un prisma y lente Fresnelizado Risley para redirigir y enfocar la luz solar incidente.
Para recolectar la máxima energía, es necesario apuntar el recolector de seguimiento al sol correctamente, y también articular adecuadamente la óptica intermedia. Son posibles muchos enfoques, y cualquier método conocido por un experto en la técnica puede usarse para apuntar al colector. Una dificultad que puede surgir en algunas aplicaciones prácticas está relacionada con la portabilidad del sistema y la incertidumbre concomitante sobre la geometría del sistema en cualquier dia dado. Para ayudar a mitigar estas preocupaciones, una realización útil incluye un sistema de seguimiento de circuito cerrado para ayudar a señalar a las placas. Los sistemas de seguimiento de circuito cerrado tienden a tolerar la temperatura y otras variaciones sistemáticas en el sistema. Una realización puede usar cualquier esquema de seguimiento de circuito cerrado que haga que las placas detecten y apunten al sol. En la Figura 16 se incluye un diagrama de bloques para tal realización.
Con el fin de ayudar a una estación central de control a rastrear el estado de cada contenedor, una realización ejemplar proporciona un seguimiento simple de la temperatura del lecho de almacenamiento térmico. Se puede utilizar cualquier enfoque de comunicaciones por cable o inalámbrico. En una realización, se proporciona una red de malla inalámbrica ZIGBEETM para comunicaciones, y cada contenedor es un nodo en la red. A intervalos convenientes (por ejemplo, una vez por hora), cada nodo informa su estado a la estación de control central. La estación de control central puede entonces seleccionar unidades para la extracción de energía según lo deseado, y también puede seguir las anomalías y puede recuperar las unidades para el servicio según sea necesario.
La orientación correcta de los conjuntos colectores 17, que comprende los elementos ópticos móviles 39, 45 y 55, puede realizarse mediante cualquier combinación conveniente de motores y mecanismos. En una realización, estos tres elementos pueden montarse en un marco que los mantiene fijos entre sí, y luego se puede usar un mecanismo para hacerlos girar alrededor de los ejes de rotación 47 y 53 de la Figura 12. Mientras muchos de estos mecanismos son posibles En la figura 15A se muestra una realización de un mecanismo.
En la figura, se puede ver que los grupos de conjuntos de colector 17 se han colocado juntos en un bastidor de pivote 65. El marco de pivote 65 puede pivotar sobre su eje largo, impulsado por el motor 67, lo que provoca la rotación de todo el grupo de conjuntos de colectores soportados sobre sus ejes de rotación primaria 53, los cuales tienden a ser aproximadamente coincidentes dentro del grupo de conjuntos de colector.
Un experto en la materia apreciará que el tamaño de los conjuntos de placas tiende a estar relacionado con el tamaño de las aberturas de colector son individuales 39, mientras que la complejidad de los conjuntos de colector está relacionada con el número de aberturas de colector. Para ayudar a reducir o minimizar el costo, es útil optimizar las aberturas del colector para equilibrar el costo y la complejidad.
Una realización incluye un número más pequeño de colectores grandes, que incluyen la apertura de aberturas con un área de hasta 0,2 metros cuadrados, o incluso de 1 metro cuadrado o incluso de 2 metros cuadrados o incluso más.
Otra realización incluye un mayor número de colectores más pequeños, con un área tan pequeña como 0,2 metros cuadrados, o incluso tan pequeña como 0,01 metros cuadrados, o incluso tan pequeña como 0,001 metros cuadrados o incluso más pequeño.
Continuando, y refiriéndonos más a la Figura 15B, que muestra un solo bastidor de pivote 65 con sus conjuntos de colector soportados 17, la realización ilustrada utiliza un enlace 69 accionado por un motor 71 para pivotar los ensamblajes de colector soportados de forma agrupada, haciendo que cada conjunto del colector individual gire sobre su eje de rotación secundario 49.
Dado que algunas realizaciones del sistema son portátiles, puede ser útil si una realización no requiere alimentación externa. En una realización ejemplar, que se muestra en la Figura 16, uno o más paneles fotovoltaicos pequeños 73 y una pequeña batería de respaldo 77 proporcionan energía a la electrónica de administración de energía 75 que proporciona energía condicionada a la electrónica de seguimiento 79 que implementa una capacidad de seguimiento de circuito cerrado del sistema, todas empleando técnicas bien conocidas por los expertos en la técnica. Dado que, en una realización típica, los elementos ópticos son bastante ligeros y están protegidos del viento, y como se mueven muy lentamente, el consumo de energía puede ser bastante pequeño incluso para un conjunto grande, tal vez incluso tan poco como 25 vatios cuando se mueve y 1 vatio o menos cuando está inactivo.
Debido a que algunas realizaciones protegen la óptica bajo una cubierta de vidrio, un experto en la técnica apreciará que pueden producirse pérdidas de luz cada vez que la luz entra o sale del vidrio. Por lo tanto, una realización típica proporciona un revestimiento antirreflectante (AR) en el lado interior del vidrio de la cubierta u otra cubierta transparente 15. También se puede proporcionar un revestimiento en el exterior de la cubierta, pero los revestimientos que pueden resistir el daño de fuerzas ambientales como el soplado de arena tiende a ser cara, por lo que una realización puede omitir un recubrimiento exterior.
Una realización típica también puede proporcionar recubrimientos AR en ambos lados de las lentes Fresnel y en la entrada y salida del elemento concentrador no generador de imagen 63, y en la entrada y salida de la óptica de transferencia de luz 29. Un útil revestimiento antirreflectante presente en una realización ejemplar es fluoruro de magnesio, debido a su bajo costo.
En una realización, el conjunto colector 17 descrito anteriormente puede tener un rango de movimiento en un eje que está limitado a alrededor de 90 grados. Para ayudar a que esta limitación tenga un impacto mínimo, una realización de la invención puede proporcionar una inclinación global al sistema óptico. A modo de ejemplo, en el hemisferio norte, el sistema óptico puede inclinarse en una dirección generalmente hacia el sur.
Una realización alternativa que ayuda a proporcionar ópticas inclinadas se muestra en las Figuras 17A y 17B. En estas figuras, se muestra un sistema 81 modificado. En la Figura 17B, la cubierta de vidrio transparente se retira para mostrar el interior. En esta realización, en lugar de inclinar los conjuntos ópticos individuales 417, toda la matriz de colectores 413 se ha inclinado hacia un lado. Esto ayuda tanto a reducir el impacto de cualquier rango de movimiento limitado en el eje primario de los ensamblajes colectores 417, como a minimizar el grado en que los colectores individuales se bloqueen entre sí para recibir luz. Un experto en la materia apreciará que en el hemisferio norte, por ejemplo, tal realización puede desplegarse con su lado inferior hacia el sur y su lado más alto hacia el norte. En las figuras, el conjunto colector 413 está montado en un contenedor 80 en ángulo. En la realización, la capa de aislamiento 7 ha sido reemplazada por una capa de aislamiento modificada (no mostrada) que se ajusta al contenedor en ángulo. El lecho de material de almacenamiento térmico puede ser sustancialmente similar al lecho del material de almacenamiento térmico 3 de la Figura 1, pero la cavidad interior tenderá a adoptar una forma diferente a la cavidad 11 de la Figura 2.
A continuación se presenta una discusión de cómo varias realizaciones de la invención pueden integrarse en sistemas útiles.
La Figura 18 es un diagrama de bloques de una realización de un sistema de energía que incorpora una realización de la invención, conectado a una torre de teléfono celular remota para ayudar a proporcionar energía para la transmisión y retransmisión de señales de teléfonos celulares. El sistema de captación solar térmica 1 está acoplado a un sistema estático de extracción de calor 91, que está acoplado a un motor térmico 93, que produce electricidad para alimentar la instalación celular 95. El método de extracción de calor puede ser cualquier método útil de extracción de calor conocido en la técnica, incluidas varillas de conducción o tuberías llenas de líquido incrustadas en el lecho de material de almacenamiento térmico. El motor térmico puede incluir cualquier motor térmico o dispositivo de calor a electricidad útil conocido en la técnica, incluyendo motores Stirling, motores de vapor, dispositivos termoeléctricos, células fotovoltaicas térmicas, o similares.
La figura 19 muestra un diagrama de bloques de una realización de una planta de desalinización o purificación de agua que incorpora una realización de la invención. El sistema de captación térmica solar 1 está acoplado a un sistema de extracción de calor estático 99. El método de extracción de calor puede ser cualquier método de extracción de calor útil conocido en la técnica, incluyendo barras conductoras o tuberías llenas de líquido incrustadas en el lecho de material de almacenamiento térmico. El desalinizador 101 puede utilizar el calor para purificar el agua. En otra realización (que difiere de la figura), el agua a purificar puede bombearse directamente a través de tuberías incrustadas en el material de almacenamiento térmico, haciendo que hierva, desde donde puede enviarse a la destilación para purificación.
Se puede utilizar cualquier método de desalinización o purificación. Una realización puede usar destilación, en la que el calor almacenado del lecho del material de almacenamiento térmico se puede usar para hervir el agua, que luego se vuelve a condensar en una forma purificada. Otra realización puede usar el calor almacenado para ayudar a proporcionar potencia motriz para impulsar una bomba para ayudar a proporcionar presión para la osmosis inversa.
La figura 20 muestra un diagrama de bloques de una realización de un sistema de bombeo de irrigación agrícola que incorpora una realización de la invención. El sistema solar térmico 1 se muestra montado en una plataforma portátil, como un camión con remolque 103. Un sistema de extracción de calor y un motor térmico ayudan a proporcionar una fuerza motriz para una bomba de irrigación 105, que ayuda a suministrar agua a los cultivos. En una realización, las unidades se pueden colocar en campos en barbecho para cargar durante un período de tiempo, y luego se pueden transportar al sitio de riego deseado cuando se necesita la potencia de la bomba. Proporcionando un sistema portátil ayuda a satisfacer la necesidad del agricultor de proporcionar de manera flexible energía ocasional a una gran cantidad de sitios de bombeo, sin incurrir en el costo de muchas instalaciones fijas.
La Figura 21 muestra un diagrama de bloques de una realización de un sistema de enfriamiento que comprende una realización de la invención acoplada a una unidad de aire acondicionado comercial / industrial o enfriador 107. Las unidades de acondicionamiento de aire o enfriadoras típicas que se pueden usar con realizaciones de la invención incluyen la absorción y tipos de adsorción.
Las figuras 22A y 22B muestran diagramas de bloques de una realización de la invención acoplada a una caldera industrial. Si bien se puede utilizar cualquier acoplamiento conveniente conocido en la técnica, una realización puede precalentar el aire de combustión para una caldera de combustible fósil estándar, mientras que otra realización puede incluir enfoques convencionales de "tubo de fuego" y/o "tubo de agua". La figura 22A muestra el precalentamiento del aire de combustión. El aire destinado a la combustión se puede calentar de cualquier manera conveniente; la figura concibe el aire que se alimenta a través de tuberías incrustadas en el lecho de almacenamiento térmico. La Figura 22B muestra una realización de la invención utilizada como caldera de tubos de agua, en la que el agua pasa a través de tuberías que se calientan por la energía térmica almacenada, ya sea in situ dentro del lecho de material de almacenamiento, o mediante un proceso de intercambio de calor que lleva calor desde el interior del recipiente a un recipiente de presión externo donde se hierve el agua.
También se puede usar un enfoque de caldera de tubo de fuego, en donde el calor almacenado se usa para calentar el aire que pasa a través de tuberías que pasan por un pozo de agua que hierve.
La Figura 23 es un diagrama que muestra una realización de un método para proporcionar "energía solar como servicio". En el diagrama, se muestran dos sitios: un sitio de recolección de energía 109 y un sitio de uso de energía 111. En una realización del método, un operador de servicio posee, arrienda u opera de otra manera una flota de colectores de energía que comprenden realizaciones de la invención, y los coloca en uno o más sitios de recolección de energía 109 para cargar. Una vez que se haya alcanzado el nivel de carga deseado, la unidad calentada puede ser transportada a un sitio de uso de energía 111. Al separar estos procesos, la tasa de uso de energía puede ser mucho más alta que la tasa de recolección de energía para un contenedor individual, sin necesidad de grandes cantidades de tierra (y los permisos concomitantes) en el sitio de uso de energía. Esto ayuda a permitir que un usuario final sea un prodigioso usuario de energía solar sin tener que tener equipos de recolección solar en el sitio. Por ejemplo, un cliente final dado puede tener entre 30 y 40 contenedores dedicados a su uso, pero solo tiene un contenedor en el sitio en un momento dado. Una vez que el contenedor se ha descargado, el operador de servicio puede reemplazarlo con un contenedor nuevo y llevar el contenedor gastado al sitio de recolección de energía para recargarlo. El operador del servicio puede entonces facturar al usuario final la energía utilizada o las horas de uso del contenedor, o cualquier medida conveniente. Se puede utilizar cualquier método de facturación, desde la fijación de precios al contado y el pago ad hoc hasta el pago por adelantado y los contratos a largo plazo. Pero solo tiene un contenedor en el sitio en un momento dado.
En la figura, el usuario final se ilustra utilizando el calor directamente, pero la energía se puede convertir a cualquier forma útil utilizando cualquier técnica útil; a modo de ejemplo, se puede usar un motor Stirling para proporcionar electricidad al usuario final.
Si bien la figura ilustra los camiones que envían contenedores, muchas otras formas de realización son posibles. En una realización ejemplar, el material térmico calentado de los contenedores puede vaciarse en un petrolero aislado oceánico, que luego puede transportar el material calentado a otra ubicación donde se puede usar para generar energía, desalinizar o cualquier uso conveniente.
La Figura 24A muestra una central eléctrica a escala de servicio público que incorpora numerosas realizaciones de módulos de almacenamiento y recolección de tipo contenedor. Si bien la discusión que sigue se centra en la generación de electricidad, los principios y conceptos descritos son aplicables a cualquier instalación a gran escala, incluida la desalinización a gran escala, la recuperación asistida de petróleo o similares.
Un sitio a escala de servicios públicos generalmente se puede dividir en dos partes: un campo de recolección de energía 113 y un sitio de extracción de energía 115. En el campo de recolección de energía, se puede colocar una variedad de contenedores 117, donde recolectan energía durante días o semanas, hasta que estén listo para la extracción de energía.
Cuando un contenedor está listo para la extracción de energía, puede ser transportado al sitio de extracción de energía de la planta. Cualquier método conveniente puede ser utilizado para la extracción de energía. Una realización incluye un método para quitar la parte superior de la unidad, un conjunto que incluye la cubierta de vidrio, la óptica y la capa superior de aislamiento, lo que expone el lecho de material térmico caliente. El material caliente puede ser luego descargado por un equipo de descarga rotativo estándar en una unidad de extracción de calor 119. Se puede utilizar cualquier técnica adecuada para la extracción de calor. Por ejemplo, para una realización donde el material tiene una estructura de polvo o grano, el aire puede pasar a través del material para extraer el calor. Sin embargo, en una realización útil, un aparato de extracción de calor conveniente es un enfriador de sólidos a granel comercialmente disponible, como los disponibles de Solex Thermal, que pueden haber sido ajustada para la extracción de calor.
Las unidades térmicas Solex pasan un fluido (agua o aire, por ejemplo) a través de una serie de placas que entran en contacto con el material caliente a medida que se filtra a través de la unidad. El agua o el aire caliente se puede usar para generar electricidad, con una turbina de vapor, o una turbina de gas de ciclo cerrado, o una máquina de vapor o un motor Stirling, o cualquier generador de electricidad conveniente 121.
Un experto en la materia apreciará que la recolección de energía y la extracción de energía están desacopladas en la realización ilustrada de la planta de energía. En cualquier momento dado, la recolección de energía puede ser máxima, mientras que la producción es mínima, o viceversa. A modo de ejemplo, la demanda de energía puede aumentar en las primeras horas de la noche en el verano, ya que las personas regresan a casa cuando el sol se está poniendo. En este punto, el operador de la planta de energía puede optar por comenzar a mover rápidamente unidades cargadas desde el campo 113 al sitio de generación de energía 115, para producir grandes cantidades de electricidad, a menudo a precios elevados, maximizando así los ingresos de la planta de energía.
Una realización de la planta de energía utiliza una turbina de gas de ciclo cerrado, ya que es capaz de aprovechar las temperaturas muy altas (en relación con la CSP convencional) y, por lo tanto, mayores eficiencias, que pueden lograrse con las realizaciones de la invención. Otra realización de la planta de energía también incluye la combustión de combustibles fósiles, que utiliza el calor de la combustión para producir energía a lo largo o en combinación con el calor recolectado en los contenedores.
En una realización ejemplar, mientras se extrae calor del material de almacenamiento térmico, las otras partes de la unidad se someten a procesos de mantenimiento, como se muestra en la Figura 24B. Como se muestra, el conjunto de cubierta 123 puede enviarse a una instalación de limpieza fija, a diferencia de un lavado de autos, donde se limpia la cubierta de vidrio, para ayudar a mejorar la eficiencia del sistema. En comparación con las plantas de CSP convencionales, la capacidad de usar una instalación de limpieza fija es una ventaja importante, ya que permite el uso de agua ordinaria, y también de agentes de limpieza, que normalmente no están permitidos en sitios grandes por razones ambientales. También permite que el agua se recupere fácilmente, lo que reduce considerablemente el uso de agua. En una realización, el exceso de calor del proceso de producción de energía se puede usar para volver a purificar el agua de limpieza, por lo que no requiere energía externa para ese proceso.
Una realización ejemplar también puede incluir una etapa de mantenimiento para ayudar a mantener el vacío en los paneles aislantes, si son evacuados. El contenedor principal y la parte superior del contenedor pueden enviarse a las instalaciones de bombeo 125, donde los puertos de ventilación de los paneles de aislamiento se pueden conectar al vacío, para extraer cualquier presión no deseada que se haya acumulado dentro de los paneles.
Mientras tanto, como se muestra en la figura, el contenedor con su lecho de material térmico de almacenamiento térmico puede ir a una instalación de descarga, donde el material puede ser descargado para la extracción de calor. Las operaciones de mantenimiento (como el bombeo de aislamiento) pueden ocurrir en el contenedor vacío, y luego pueden rellenarse con material de almacenamiento térmico gastado.
En una realización de las operaciones de la planta de energía, los contenedores de repuesto y los conjuntos de cubierta se pueden mantener cerca del sitio de extracción de energía y se pueden intercambiar por unidades activas cuando se desee, para ayudar a permitir que se realicen operaciones de mantenimiento más largas cuando se desee.
La Figura 25 muestra una realización de una operación de Recuperación asistida de petróleo (EOR) que incorpora una realización de la invención. Al igual que con la aplicación de generación de electricidad, se pueden proporcionar grandes campos de unidades que se calientan durante un período de días o semanas. Una vez calentadas a un nivel deseado, las unidades pueden ser transportadas a una cabeza de pozo 127 donde pueden usarse para calentar vapor para inyección en la cabeza de pozo como en la figura, o para impulsar bombas para inyección. La naturaleza portátil y la capacidad de almacenamiento a largo plazo de la realización ayudan a hacer posibles las instalaciones que funcionan completamente con energía renovable de forma permanente.
Una realización de un sistema EOR incluye módulos de conductos sustancialmente fijos.
Una realización de la invención puede usar otras formas de energía además de la energía solar para ayudar a calentar el lecho del material de almacenamiento térmico.
Una realización ejemplar proporciona múltiples maneras de calentar el lecho de material de almacenamiento térmico. En tal realización, la electricidad de la red se puede usar para ayudar a calentar el material, ya sea por sí misma o en concierto con la energía solar. Esto puede ser ventajoso en lugares donde la electricidad de la red es muy barata (o incluso gratuita) por la noche. El uso de la electricidad nocturna junto con la luz solar diurna proporciona un patrón de carga complementario para la realización.
De manera similar, en otra realización, la energía eólica puede usarse para ayudar a calentar el material, ya sea por sí misma o en concierto con la energía solar u otras formas de energía. Dado que las condiciones de viento tienden a ocurrir en horas cuando el recurso solar es bajo, esta tiende a ser otra forma complementaria de energía. En una realización ejemplar, una o más turbinas eólicas pequeñas se pueden unir al contenedor. A medida que las turbinas giran, generan calor que se almacena en el lecho de material. El calor puede ser generado de cualquier manera conveniente. Una realización puede usar un conjunto de paletas que giran en un fluido viscoso, que se calienta. Otra realización puede usar calefacción por corrientes de Foucault, lo que ayuda a permitir la transferencia directa de calor a la cama de almacenamiento de energía sin necesidad de tuberías.
En la Figura 26 se muestra una realización que utiliza turbinas eólicas y calentamiento por corrientes de Foucault (también conocido como inducción). Las turbinas eólicas 129 que se muestran son del tipo Darrieus, pero se puede usar cualquier tipo de turbina eólica. Como se muestra en la figura, las turbinas hacen que los ejes 131 giren. Cada uno de los ejes puede conectarse a través de una transmisión a un eje que pasa a través de la capa de aislamiento 7 y hace girar un disco magnético. Se proporciona una placa no ferrosa cercano al disco magnético. A medida que el disco gira, se inducen corrientes de Foucault en la placa no ferrosa, que genera calor, que luego se conduce al material de almacenamiento térmico.
En algunas instalaciones, puede ser conveniente agregar un área de recolección de luz adicional a un contenedor, para que pueda calentarse más rápido. Como se muestra en la Figura 27, por lo tanto, una realización incluye una matriz de colector extendida 133, junto con ópticas de transferencia de luz externa para llevar la luz concentrada adicional al contenedor. Estas matrices de colector adicionales pueden denominarse "alas". Las alas pueden ser fijas o pueden diseñarse de manera que se plieguen para el transporte, por ejemplo, contra los lados del contenedor. Hasta ahora, la discusión ha considerado el uso de un contenedor de basura ligeramente adaptado como el contenedor 5. Sin embargo, se puede usar cualquier contenedor conveniente. Una realización típica puede utilizar un contenedor de envío de 40 pies abierto oceánico abierto o ligeramente adaptado. Otra realización puede usar un vagón de ferrocarril, especialmente un vagón de carga ligera. Es conveniente incluir un carro con tolva en una realización, ya que existe una amplia variedad de equipos genéricos disponibles para su compra para el manejo de los vagones, su descarga rápida, su mantenimiento, etc.
Los vagones de ferrocarril también son convenientes porque pueden colocarse en una vía férrea en una planta de energía y pueden transportarse fácilmente desde el campo hasta las instalaciones de generación de energía de la planta. En una realización, la via puede estar dispuesta en forma de "S" continua. En otra realización, la via se puede colocar en filas con un simple equipo de conmutación al final, y un motor locomotor puede transitar hacia el campo, recuperando grupo de vagones completas para la extracción de energía y devolviéndolas cuando haya terminado. En una realización de una planta de energía, los contenedores de basura o contenedores de envío pueden usarse como contenedores. En una realización de este tipo, en la Figura 28 se muestra una disposición de los contenedores 135. Esta disposición proporciona un acceso fácil para que un camión “remolcador” conduzca por la carretera 137 y se adhiera o cargue en el contenedor. Otra realización, que se muestra en la Figura 29, permite que una sola vía de acceso 139 sirva para dos filas de contenedores.
La figura 37 es una vista desde arriba de una realización 301 de un sistema de almacenamiento y recolección de energía a gran escala que incluye realizaciones de módulos de conducto aislados 303. Los conductos pueden tener cualquier número deseable de aberturas 305. Una realización práctica proporciona una abertura en cada extremo de cada conducto. Los conductos pueden ser de cualquier longitud útil y cualquier número útil de conductos puede ser acoplado. Cuando los conductos comparten una pared, como la pared 304, la pared puede estar sin aislamiento y no afectar el rendimiento.
En una realización, los conductos 311 se pueden acoplar juntos en circuitos abiertos 313, como se muestra en otra vista desde arriba de un sistema de almacenamiento y recolección de energía a gran escala en la Fig. 38, en la que los conductos extraen el fluido y lo expulsan a un depósito 315, por ejemplo, al entorno ambiental.
En una realización, los conductos también pueden acoplarse entre sí en circuitos cerrados. La figura 39 ilustra una realización con conductos acoplados en una serie de circuitos de ida y vuelta 321, con los circuitos compartiendo un colector común 323. En una realización, el flujo de fluido de transferencia de calor a través de los diversos circuitos pueden activarse o desactivarse independientemente y/o modulado según se desee para lograr cualquier tasa deseada de extracción de calor del campo de recolección y almacenamiento. La estrategia de extracción de calor también puede optar por utilizar ciertos circuitos según su nivel de "carga", es decir, qué tan calientes están. En una realización, el calor se extrae de los circuitos que están completamente cargados, mientras que el flujo de fluido se bloquea a través de los circuitos que aún no están completamente cargados.
Dentro del colector, el aire caliente de los circuitos puede usarse para cualquier propósito conveniente. En una realización, se proporciona un intercambiador de calor en el colector. En esta realización, el aire a presión ambiental fluye a través de los circuitos 321, y el calor se transfiere a un fluido de trabajo presurizado (por ejemplo, aire a 10 atmósferas) que circula dentro de un intercambiador de calor en el colector.
En una realización, se proporciona un circuito donde las partes salientes y entrantes del circuito comparten al menos una parte de una pared común, como se muestra en la Fig. 37. Esta pared se convierte así en una pared interior y se puede proporcionar sin aislamiento, como su función principal es controlar el flujo del fluido de transferencia de calor en lugar de evitar el flujo de calor entre las dos partes del circuito. Además, esta pared interior puede proporcionar un soporte estructural adicional a la cubierta. Una realización proporciona múltiples paredes interiores sobre un circuito en forma de serpentina con muchos segmentos hacia adelante y hacia atrás, lo que ayuda a reducir la cantidad total de aislamiento requerido, al tiempo que aumenta la cantidad de soporte estructural para la cubierta. En otra realización, se pueden usar circuitos híbridos, en los que el fluido de transferencia de calor se recircula, pero también se introduce fluido de transferencia de calor fresco en el sistema.
En una realización, el aislamiento que comprende los conductos puede ser autosuficiente estructuralmente. En otra realización, pueden usarse elementos estructurales adicionales para proporcionar resistencia estructural.
En una realización, se proporciona estructura y / o textura adicional en las paredes interiores del conducto, ayudando así a aumentar la turbulencia en el fluido de transferencia de calor a medida que fluye, y ayudando a aumentar la transferencia de calor.
En una realización, el lecho de material de almacenamiento se puede formar o esculpir en formas para ayudar a mejorar la transferencia de calor. Dichas formas incluyen aletas, clavos, paredes, púas, postes o similares. Las formas se pueden formar utilizando cualquier técnica útil, incluida la fusión del material del lecho usando calor y / o uno o más aditivos, mezclándolo con tierra local, vertiendo concreto o espuma cementante, o similares.
En una realización, se proporciona aún otro material para mejorar la transferencia de calor. Dichos materiales pueden comprender estacas, pasadores, puntales, aletas o cualquier forma útil, compuesta de metal, cerámica o cualquier material adecuado.
En una realización, el otro material comprende rocas colocadas en el conducto y / o parcialmente enterradas en el suelo.
En una realización, como se muestra en la Fig. 40, como indica la flecha 331, se hace que el fluido de transferencia de calor fluya a través y/o sobre colector(es) 333, fuera del aislamiento, antes de fluir hacia el interior 335 del conducto(s) 337. Esto puede ser especialmente útil en realizaciones que incluyen una cubierta transparente 341 sobre los colectores, ya que la región 339 debajo de la cubierta pero por encima del aislamiento 336 tenderá a calentarse. Al hacer fluir el fluido de transferencia de calor a través de la región debajo de la cubierta, se puede extraer este calor, lo que ayuda a aumentar la eficiencia general del sistema. En una realización, se proporcionan filtros para ayudar a evitar que el polvo y otros contaminantes sean transportados por el fluido de transferencia de calor a la región debajo de la cubierta.
La Fig. 40 ilustra una realización de un sistema de circuito abierto, con aire que se extrae del entorno 343. El aire puede introducirse a través de un filtro de aire 345. La realización en la Fig. 40 también puede incluir una chimenea y/o una torre de corriente solar. 347, para mejorar la convección natural y/o proporcionar la generación de energía al incluir una turbina eólica 349 en la chimenea.
En la realización en la figura 40, el suelo 351 comprende al menos una parte del conducto aislado. El suelo se puede usar directamente o se puede tratar, fusionar o modificar de otra manera. El suelo puede realizar cualquier función útil. En una realización, el suelo actúa como un aislante. En otra realización, participa en el almacenamiento de energía. En otra realización más, realiza ambas funciones.
En una realización, el conducto se construye directamente sobre el suelo.
En otra realización, se cava una zanja en el suelo y el conducto está al menos parcialmente embebido en la zanja. En una realización, el suelo se compacta durante la construcción, para ayudar a minimizar el impacto de la sedimentación durante la operación, por ejemplo, a medida que la humedad se evapora y/u otros volátiles salen del suelo.
En una realización, se puede proporcionar una superficie preparatoria, tal como hormigón, en el suelo.
En una realización, los recipientes o conductos se pueden colocar en las patas para ayudar a lograr el espacio libre sobre el suelo.
En una realización, el suelo puede formar al menos una parte del suelo del conducto.
En una realización, el suelo puede formar al menos una parte de las paredes del conducto.
En una realización, se puede proporcionar una capa aislante entre el suelo y las otras partes del conducto.
En una realización, se puede proporcionar una barrera contra la humedad para ayudar a mantener el agua dentro y la evitar la inundación de suelo fuera del conducto.
En una realización, los materiales locales pueden excavarse y colocarse en los conductos o contenedores para actuar como material de almacenamiento de energía, para ayudar con la transferencia de calor, o cualquier función útil.
En una realización de la invención, el sistema de extracción de energía puede comprender una turbina eólica a la manera de las torres solares de corriente ascendente en la técnica anterior. Esta realización puede incluir realizaciones de módulos de colección y almacenamiento de conductos, módulos de colección y almacenamiento de contenedores, o ambos.
En una realización, se puede usar una turbina de gas convencional en lugar de una turbina eólica.
En una realización, se puede usar un intercambiador de calor o caldera para transferir calor a un fluido de trabajo antes de la producción de energía. A modo de ejemplo, el aire ambiental de los conductos puede fluir sobre un intercambiador de calor para transferir calor al dióxido de carbono supercrítico. En otro ejemplo, las partículas de un contenedor se pueden vaciar a través de un intercambiador de calor térmico Solex que contiene aire a presión. En un tercer ejemplo, el aire caliente de los conductos puede pasar sobre una serie de tubos de agua a presión, que comprenden una caldera de tubo de agua.
En una realización, la óptica de la colección solar está empaquetada muy cerca. En algunos momentos del día o año, el sol proviene de un ángulo relativamente bajo en el cielo. Un experto en la técnica apreciará que los colectores tienden a bloquear la visión del sol entre sí. Esto puede reducir la cantidad de luz solar disponible para cada colector, reduciendo la concentración máxima y, por lo tanto, la temperatura máxima a la que se puede alcanzar.
A la luz de esto, una realización proporciona un esquema de seguimiento del sol que ayuda a proporcionar una alta concentración incluso en bajos ángulos de sol, al ralentizar algunas de las aberturas de recolección mientras se usan otras activamente. Cuando la realización está inactiva aberturas recolectadoras, las orienta de tal manera (conceptualmente, "de lado") para que no puedan recolectar la luz, pero también proporcionan un sombreado mínimo de sus vecinos. De esta manera, las aberturas activas pueden recolectar la luz que de otra manera se habría sombreado, ayudando a alcanzar temperaturas más altas.
Cualquier rango numérico descrito aquí pretende incluir todos los sub-rangos de la misma precisión numérica subsumida dentro del rango recitado. Por ejemplo, se pretende que un rango de "1,0 a 10,0" incluya todos los subintervalos entre (e incluido) el valor mínimo indicado de 1,0 y el valor máximo mencionado de 10,0, es decir, que tenga un valor mínimo igual o mayor que 1,0 y un valor máximo igual o inferior a 10,0, como, por ejemplo, 2,4 a 7,6. Cualquier limitación numérica máxima mencionada en este documento pretende incluir todas las limitaciones numéricas inferiores incluidas en este documento y cualquier limitación numérica mínima mencionada en esta especificación pretende incluir todas las limitaciones numéricas superiores incluidas en este documento. Como aparece en este documento, "tipos" de sistemas se refiere a "clase" de sistemas.
Todas las patentes, solicitudes de patentes y publicaciones citadas aquí se incorporan como referencia como incorporadas individualmente. A menos que se indique lo contrario, todas las partes y porcentajes son por peso. La descripción detallada que antecede se ha proporcionado solo para claridad de comprensión únicamente. No se debería entenderse limitaciones innecesarias de ninguna descripción. La invención no se limita a los detalles exactos mostrados y descritos, ya que las variaciones obvias para un experto en la técnica se incluirán dentro de la invención definida por las reivindicaciones.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para recibir, transferir y almacenar energía solar térmica, que comprende:
un colector de energía solar concentrada (13);
un conducto de transferencia de luz (23);
un material de almacenamiento térmico (3); Y
un recipiente aislado (5), el recipiente aislado (5) que contiene el material de almacenamiento térmico (3), el conducto de transferencia de luz (23) que está configurando para transferir la energía solar recogida por el colector de energía solar (13) al material de almacenamiento térmico a través de una pared del contenedor aislado, donde el conducto de transferencia de luz (23) incluye:
un puerto de entrada que recibe la energía solar;
un puerto de salida (27) próximo al material de almacenamiento térmico, y
en el que el conducto de transferencia de luz (23) está configurado para transmitir la energía solar sustancialmente sin pérdidas e irradiar la energía solar al material de almacenamiento térmico (3) a través del puerto de salida (27).
2. El sistema de la reivindicación 1, cuando el conducto de transferencia de luz (23) comprende una óptica de transferencia de luz.
3. El sistema de la reivindicación 1, donde el material de almacenamiento de energía (3) comprende de un sólido.
4. El sistema de la reivindicación 1, cuando el suelo u otros materiales en el sitio comprenden del material de aislamiento y/o de almacenamiento de energía (3).
5. El sistema de la reivindicación 1, incluye un sistema de extracción de energía (91,99) configurado para convertir el calor en energía mecánica y/o eléctrica, donde la energía eléctrica está configurada para alimentar un equipo fuera de la red.
6. El sistema de la reivindicación 1, donde el colector de energía solar concentrada (13) comprende un prisma Risley.
7. El sistema de la reivindicación 1, en el que el colector de energía solar concentrador (13) comprende:
un primer tren óptico, que comprende:
al menos una abertura de recolección que comprende un elemento refractivo para recibir luz entrante del sol, un primer eje óptico alineado con un primer eje de rotación,
un segundo eje óptico alineado con un segundo eje de rotación,
un primer espejo plegable configurado para reflejar la luz a lo largo del primer eje óptico, y
un segundo espejo plegable configurado para reflejar la luz a lo largo del segundo eje óptico,
donde:
el primer eje de rotación es un eje de rotación de un primer subensamblaje que incluye:
el elemento refractivo, y
el primer espejo plegable; y
el segundo eje de rotación es un eje de rotación de un segundo subensamblaje que incluye:
el primer subensamblaje, y
el segundo espejo plegable.
8. El sistema de la reivindicación 1, que comprende un conducto de transferencia con tapa, en el que el conducto de transferencia con tapa comprende un conducto de transferencia de luz que tiene una entrada y una salida, y una tapa desplazable capaz de cubrir la entrada o la salida del conducto de transferencia de luz.
9. El sistema de la reivindicación 1, en el que el conducto de transferencia de luz comprende una varilla transparente (29).
10. El uso de un sistema de energía solar térmica de estado sólido redistribuible que comprende:
un colector de energía solar concentrada (13);
un conducto de transferencia de luz (23);
un material de almacenamiento térmico (3); Y
un contenedor aislado (5),
el recipiente aislado (5) que contiene el material de almacenamiento térmico (3),
el conducto de transferencia de luz (23) que se configura para transferir la energía solar recogida por el colector de energía solar (13) al material de almacenamiento térmico (3) a través de una pared del contenedor aislado, el conducto de transferencia de luz que tiene:
un primer fin para recibir la energía solar incidente y
un segundo extremo proximal al material de almacenamiento térmico,
en el que el conducto de transferencia de luz está configurado para transmitir la energía solar incidente sustancialmente sin pérdidas e irradiar la energía solar en el material de almacenamiento térmico a través del segundo extremo,
el uso comprende:
el sistema de energía solar térmica en un primer sitio (109,113);
redespliegue del sistema de energía solar térmica a un segundo sitio (111,115); Y
un sistema de energía solar térmica en el segundo sitio (111,115).
11. El uso de la reivindicación 10, en el que el segundo sitio (111,115) es un sitio de socorro en caso de desastre natural y/o un sitio minero fuera de la red.
12. El uso de la reivindicación 10, en la que:
el funcionamiento del sistema de energía solar térmica en el primer sitio (109,113) comprende la carga del sistema de energía solar térmica; Y
el funcionamiento del sistema de energía solar térmica en el segundo sitio (111,115) comprende la descarga del sistema de energía solar térmica, y
en el que el uso comprende además de la facturación de un cliente para la descarga del sistema de energía solar térmica en el segundo sitio.
13. Un método para la recolección y almacenamiento de energía solar, cuyo método comprende de:
la concentración de la luz solar recibida;
la utilización de una óptica de transferencia de luz (23) para transferir la energía solar a través de una capa aislante opaca, la óptica de transferencia de luz que comprende de un primer extremo para recibir energía solar incidente y un segundo extremo próximo a un material de almacenamiento térmico sustancialmente sin pérdida, monolítico, conducto estrecho para la luz, a través de la capa opaca; Y
calentando el material de almacenamiento de energía térmica sólida (3) dentro de un recipiente irradiando la energía solar a un material de almacenamiento térmico a través del segundo extremo de la óptica de transferencia de luz (23),
donde la concentración, del transporte, y la calefacción se producen a menos de diez metros de uno al otro.
14. El método de la reivindicación 13, realizado en el lugar de un desastre natural reciente, que comprende además de:
proporcionar un sistema de recolección y almacenamiento de energía solar fácilmente transportable, transporte del sistema transportable a la ubicación de un desastre natural reciente, y
el sistema en la ubicación del reciente desastre natural.
15. El método de la reivindicación 14, en el que el sistema de recogida y almacenamiento de energía solar es fácilmente transportable y comprende de un contenedor fácilmente transportable (5) que contiene sustancialmente todo el medio de almacenamiento de energía (3).
16. El método de la reivindicación 13, en el que la óptica de transferencia de luz comprende de una varilla transparente (29).
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