ES2919856T3

ES2919856T3 - Una unidad de colector solar y un procedimiento para proporcionar dicha unidad de colector solar

Info

Publication number: ES2919856T3
Application number: ES12762529T
Authority: ES
Inventors: Kim Nichum Lehmann
Original assignee: ALPHA E APS; ALPHA-E APS
Current assignee: ALPHA E APS; ALPHA-E APS
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: US9976776B2; US20140283818A1; WO2013026456A1; AU2012299933A1; AU2012299933B2; EP2748537B1; PT2748537T; EP2748537A1; DK2748537T3

Abstract

La unidad de colector solar (2) está adaptada para reflejar la luz en un receptor (3), y comprende un elemento reflector (21) y una estructura de soporte (22) que soporta el elemento reflector. El elemento reflector es flexible y comprende una superficie reflectante y un sustrato que tiene una longitud y ancho predefinidos. La estructura de soporte comprende un número predefinido de perfiles por unidad de longitud conectada al elemento reflector a una distancia entre sí para proporcionar una forma predefinida de la unidad de colector solar. El número de perfiles por longitud del sustrato puede variar y se encuentra en el intervalo 3 a 12, preferiblemente de 4 a 10, más preferido de 5 a 8 por 2000 mm de longitud del sustrato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Una unidad de colector solar y un procedimiento para proporcionar dicha unidad de colector solar

La presente invención se refiere a una unidad de colector solar adaptada para reflejar la luz sobre un receptor, que comprende un elemento reflector y una estructura de soporte que sostiene el elemento reflector. La invención se refiere además a un procedimiento para proporcionar dicha unidad de colector solar.

Durante muchos años, se han explorado en gran medida las fuentes de energía renovables y alternativas, y durante los últimos años, ha habido una conciencia cada vez mayor de la generación y el consumo de energía en general, impulsada en particular por las preocupaciones sobre el cambio climático global y el aumento de los precios de los recursos tradicionales, como el petróleo.

Una de estas fuentes renovables es la energía solar. La energía solar utiliza la radiación del sol para generar calor o energía, básicamente generando energía eléctrica directamente, es decir, convirtiendo la radiación solar en electricidad de corriente continua mediante paneles solares fotovoltaicos que comprenden un número de células solares que contienen un material fotovoltaico, o mediante colectores solares térmicos para utilizar la energía térmica para generar calor, por ejemplo para fines de calefacción residencial, para la evaporación de líquidos (destilación) o para generar electricidad calentando agua u otro fluido de transferencia de calor para producir vapor que a su vez acciona una turbina acoplada a un generador de energía eléctrica.

Una forma de obtener temperaturas muy elevadas y, por tanto, un aprovechamiento eficiente de la energía solar térmica, son los sistemas de energía solar concentrada (CSP), que utilizan fundamentalmente espejos o lentes para concentrar una gran superficie de luz solar, es decir, la energía solar térmica, en un área pequeña. Las tecnologías de concentración existen en cuatro tipos básicos, a saber, los colectores solares en forma de canales parabólicos, los espejos de disco, los reflectores lineales de concentración de Fresnel y los colectores solares planos dirigidos hacia una torre de energía solar. La CSP se ha comercializado recientemente de forma generalizada y ha conseguido una cuota de mercado considerable entre las fuentes renovables. De las centrales de CSP de todo el mundo, las de canales parabólicos representan la mayor parte.

En principio, un colector de energía solar térmica compuesto por un canal parabólico consiste en un reflector parabólico lineal que concentra la radiación en un receptor situado a lo largo de la línea focal del reflector. El receptor es un tubo colocado directamente sobre el centro del espejo parabólico y lleno de un fluido de transferencia de calor. El canal parabólico suele estar alineado en un eje norte-sur, y girado para seguir al sol en su desplazamiento, o bien el canal puede estar alineado en un eje este-oeste, lo que reduce la necesidad de seguimiento pero disminuye la eficiencia global del colector.

El reflector de canal parabólico se forma tradicionalmente como un espejo parabólico alargado que es transportado por una estructura de soporte. El espejo es tradicionalmente de cristal, que tiene excelentes propiedades reflectantes. Sin embargo, el vidrio tiene algunas desventajas. Por ejemplo, es frágil, lo que significa que hay que tomar precauciones especiales durante la fabricación, el transporte y la instalación. Además, el peso de estos espejos es considerable, lo que plantea grandes exigencias a la estructura de soporte, y los costes globales de fabricación, transporte, instalación y mantenimiento del sistema son relativamente altos.

En el estado de la técnica, se han hecho intentos de proporcionar alternativas a dichos conjuntos. Los ejemplos se muestran en la Solicitud de patente de EE.UU. publicada n° 2010/0313933 y en la Patente EP n° 338 051. Otro ejemplo se encuentra en, por ejemplo, la solicitud de patente de EE.UU. publicada No US 2006/0193066 Alque sugiere la formación de conos reflectantes como alternativa a los colectores solares en forma de canales parabólicos y espejos de disco. Una de las ventajas asociadas al diseño particular que se menciona en este documento es que se puede evitar la considerable precisión que requiere la construcción y el mantenimiento de los canales parabólicos y los discos de espejo. Sin embargo, la eficiencia de un canal parabólico o de un disco de espejo es considerablemente mayor que la del colector solar sugerido en este documento.

En las instalaciones conocidas, se utilizan reflectores de lámina de aluminio para reducir el peso. Sin embargo, las propiedades reflectantes del aluminio son inferiores a las del vidrio; además, como estos colectores solares están expuestos a la intemperie en todo momento, el aluminio desnudo necesita una limpieza y un pulido frecuentes para conservar sus propiedades reflectantes.

El documento WO 2007/096158 A1 describe una estructura de soporte autoportante en forma de perfiles de cámara hueca que lleva en su cara frontal un reflector concentrador parabólico. La estructura de soporte se suministra en forma de perfiles extruidos, estirados o laminados. Aunque este diseño alivia muchas de las desventajas de otros montajes alternativos, todavía se puede mejorar en cuanto a la facilidad de producción, transporte, instalación y mantenimiento.

El documento WO 2008/013976 describe una unidad de colector solar que comprende un elemento reflector, una estructura de soporte con un número predefinido de perfiles por unidad de longitud dispuestos transversalmente y conectados al elemento reflector y una lámina metálica reflectora flexible.

Con estos antecedentes, es un objeto proporcionar una unidad de colector solar, que sea más rentable y versátil, y que pueda adaptarse al campo de uso particular de la unidad de colector solar.

Este y otros objetos se logran mediante una unidad de colector solar según la reivindicación 1.

Al proporcionar el elemento reflector y la estructura de soporte de tal manera, se logra una versatilidad óptima en la fabricación y el uso de la unidad de reflector solar según el campo de uso, ya que las propiedades de la unidad de colector solar pueden variar en respuesta a las demandas planteadas en diversos campos de uso. Además, mediante una elección adecuada del material, es posible formar la unidad de colector solar como una estructura ligera, pero estable y autoportante.

En otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento según la reivindicación 10.

Se describen más detalles, y se indican más ventajas, en la descripción de las realizaciones particulares de la invención.

A continuación, la invención se describirá con más detalle mediante ejemplos de realizaciones con referencia a los dibujos esquemáticos, en los que

La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de una realización de una unidad de colector solar según la invención instalada en una planta;

La Fig. 2 muestra una vista lateral de la unidad de colector solar de la Fig. 1;

La Fig. 3 muestra una vista en perspectiva de la unidad de colector solar de la Fig. 1 desde otro ángulo;

La Fig. 3a muestra una vista parcial en perspectiva, a mayor escala, de un detalle de la unidad de colector solar mostrada en la Fig. 3;

La Fig. 3b muestra una vista en perspectiva parcial, a mayor escala, correspondiente a la Fig. 3a de un detalle de una unidad de colector solar en una realización alternativa;

La Fig. 4 muestra una vista en planta de la unidad de colector solar de la Fig. 1, visto desde su parte trasera; La Fig. 5 muestra una vista en perspectiva de otra realización de la unidad de colector solar según la invención; Las Fig. 6 a 9 muestran vistas en perspectiva de otras realizaciones de la unidad de colector solar según la invención; y

Las Fig. 10 a 12 son ilustraciones del equipo utilizado para las pruebas y las mediciones.

Refiriéndose en primer lugar a las Fig. 1 a 4, se muestra una planta de energía solar que comprende cuatro unidades de colectores solares 2 montadas en un bastidor portante común 1. Así, en la configuración mostrada de la planta de energía solar, dos unidades de colectores solares 2 se colocan en yuxtaposición entre sí en la dirección de la altura y dos unidades de colectores solares 2 en la dirección de la longitud. En lo que sigue, sólo se describirá en detalle una unidad de colectores solares 2; otras unidades de colectores solares de una planta pueden diseñarse de manera similar o modificada. También debe entenderse que una sola unidad de colector solar 2 puede constituir una planta de energía solar en sí misma, por ejemplo para el ámbito de uso doméstico. Además, la unidad de colector solar también puede utilizarse como unidad de reparación.

Cada unidad de colector solar 2 se fabrica para tener una forma parabólica predefinida de una manera que se describirá con más detalle a continuación. En la configuración mostrada, en la que dos unidades de colectores solares 2 están situadas en yuxtaposición en la dirección de la altura, una unidad de colectores solares 2 constituye así una mitad de la parábola. En la línea de enfoque de la parábola, un receptor 4 está dispuesto y montado en el bastidor portante 1 por medio de brazos de sujeción 3. El receptor 4 está adaptado para alojar un fluido de transferencia de calor, como el agua de consumo o de evaporación, de una manera conocida per se.

En la realización mostrada, la unidad de colector solar 2 comprende un elemento reflector 21 formado por un sustrato 211 y una superficie reflectante (no indicada por un número de referencia separado), y una estructura de soporte generalmente designada 22.

La superficie reflectante del elemento reflector 21 se proporciona como un revestimiento, o como una película con propiedades reflectantes. La película puede ser una película multicapa, preferiblemente con propiedades de protección contra los rayos UV. Un ejemplo de dicha película es la 3M™ Solar Mirror Film 1100, pero también son concebibles otras películas reflectantes de espejo disponibles en el mercado. El sustrato 211 del elemento reflector está formado por una lámina flexible de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, magnesio y titanio o una combinación de ellos. Dependiendo de la elección del material, el espesor de la lámina metálica que constituye el sustrato 211 es ventajosamente inferior a 2,5 mm. En una realización preferente, el espesor se encuentra en el intervalo de 1,0 a 2,0 mm, siendo el más preferido 1,5 mm. El sustrato 211 tiene una longitud L y una anchura b predefinidas. La longitud L y la anchura b de una sola unidad de colector solar pueden variar de acuerdo con el campo particular de uso final y de las condiciones de transporte. Resulta especialmente ventajoso que la unidad de colectores solares pueda manejarse manualmente. En general, la longitud L se encuentra en el intervalo de 1000 a 6000 mm, por ejemplo 1000-3000, 2000-4000, más concretamente 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 y 6000 mm y la anchura entre 1000 y 3000 mm. El peso total de la unidad de colectores solares depende de varios factores, como el espesor y el material de las placas y los perfiles, el número de perfiles, el peso de la película o el revestimiento, etc. Los valores típicos del peso específico son de al menos 1,5 kg/m2 o menos de 7 kg/m2, como por ejemplo en el intervalo de 1,5 a 7 kg/m2, más preferentemente de 2,5 a 5. De este modo, es posible fabricar unidades de colectores solares de una superficie relativamente grande y seguir manteniendo la facilidad de manipulación y transporte de la unidad.

La estructura de soporte 22 comprende un número predefinido de perfiles conectados al elemento reflector 21 a una distancia entre sí. En la realización mostrada en las Figs. 1 a 4, hay cinco de estos perfiles numerados 221-225 colocados equidistantemente de un borde longitudinal de la unidad de colector solar 2 al otro. Así, en el caso de que el sustrato tenga una longitud de 2000 mm, la distancia d es de aproximadamente 500 mm. Los perfiles 221 de la estructura de soporte 22 pueden adoptar cualquier forma adecuada y pueden ser, por ejemplo, perfiles en forma de U, en forma de I o rectangulares cerrados. Los diseños concebibles de los perfiles incluyen perfiles que se pueden conformar manualmente, como el comercialmente disponible Prebeam™ de la firma MDT A/S, otros perfiles que se pueden conformar manualmente, perfiles laminados o perfiles fijos fabricados, por ejemplo, por moldeo o extrusión. Los perfiles 221-225 se conectan al sustrato 211 de cualquier manera adecuada, por ejemplo mediante una cinta adhesiva o mediante un adhesivo, como 3M™ Scotch-Weld EPX Epoxy Adhesive DP490. Los perfiles 221-225 están conectados al sustrato 211 del elemento reflector 21 a una distancia mutua, que puede ser, por ejemplo, igual en toda la longitud L del sustrato 211. El número predefinido de perfiles por unidad de longitud del sustrato se describirá con más detalle a continuación. Una descripción más general del Prebeam™ disponible en el mercado se encuentra en Patente europea n° EP 1343 942 B1 y describe así perfiles formados como miembros estructurales que se pueden conformar manualmente, y en los que cada miembro estructural tiene una sección transversal generalmente en forma de U y una configuración que se extiende longitudinalmente, comprendiendo una porción de base y dos porciones de pata que se extienden en ángulos sustancialmente rectos desde dicha porción de base, dicho miembro estructural comprende al menos una porción corrugada y cada porción de pata incluye una primera sección que forma una pared interior de la porción de pata y una segunda sección paralela a dicha primera sección y que une la primera sección a lo largo de una primera línea de unión y la porción de base a lo largo de una segunda línea de unión, donde dicho miembro estructural está formado integralmente a partir de al menos una hoja o lámina delgada que está corrugada en una forma de onda continua en la dirección longitudinal del miembro, y donde las corrugaciones en el lado exterior del miembro estructural están parcialmente cortadas en el área de la primera línea de unión.

Toda la unidad de colector solar 2 está conectada al bastidor portante 1 por medios mecánicos o adhesivos, o por una combinación. Las conexiones adhesivas adecuadas incluyen el uso de, por ejemplo, 3M™ Scotch-Weld™ 7271 B/A. La conexión mecánica puede incluir un dispositivo de sujeción 11 montado en al menos algunos de los perfiles 221-225, como se muestra en el dibujo detallado de la Fig. 3a que muestra la conexión entre un perfil 223 y el bastidor portante 1. Este dispositivo de sujeción es especialmente ventajoso en el caso de los perfiles en forma de I, en los que el dispositivo de sujeción puede colocarse para sujetar el perfil así como el bastidor portante. El sustrato puede mantenerse como una placa plana con la forma deseada y utilizando toda la superficie para la reflexión. Como una alternativa, que se desprende de la realización mostrada en la Fig. 3a, el borde longitudinal del sustrato 211 se ha doblado 90° con una anchura de la altura del perfil, tal como unos 30 mm, y luego otros 90° con una anchura del resto de la placa, tal como unos 30 mm, para proporcionar un borde doblado. Esto aumenta la resistencia general de la unidad de colectores solares 2. Además, los bordes plegados de dos unidades de colectores solares vecinas pueden colocarse de forma que se apoyen entre sí para aumentar la estabilidad general de una planta que comprenda un conjunto de unidades de colectores solares. Como alternativa adicional, al menos algunos de los bordes de la unidad de colector solar pueden estar provistos de un deflector 25.

En las realizaciones de las Figs. 5 a 9, se muestran diseños alternativos de la unidad de colector solar 2. Los números de referencia similares denotan elementos que tienen la misma o análoga función.

Así, en la Fig. 5, cinco perfiles en forma de U se distribuyen uniformemente a lo largo de la unidad de colector solar 2, de los cuales se muestran los dos más externos 221 y 225.

De forma correspondiente, en la Fig. 6 se montan tres perfiles en forma de U 221, 223 en la estructura de soporte de la unidad de colector solar 2. Así, en el caso de que el sustrato tenga una longitud de 2000 mm, la distancia d es de aproximadamente 1000 mm.

En la realización de la Fig. 7, la unidad de colector solar 2 comprende ocho de estos perfiles en forma de U, de los cuales se muestran los dos perfiles más externos 221 y 228. Así, en el caso de que el sustrato tenga una longitud de 2000 mm, la distancia d es de aproximadamente 285 mm.

Los perfiles en forma de U de las realizaciones de las Fig. 5 a 6 pueden estar presentes en otros números que los descritos y mostrados en los dibujos. Además, el carácter individual de los perfiles puede variar en una misma unidad de colector solar 2.

La Fig. 8 muestra una realización en la que cinco perfiles en forma de I (los perfiles más externos 221 y 225 indicados) están montados en la estructura de soporte de la unidad de colector solar 2. Obviamente, esta configuración puede modificarse para incluir tres, cuatro, seis, siete u ocho o un número aún mayor de perfiles por unidad de colector solar 2.

Finalmente, en la realización mostrada en la Fig. 9, se montan ocho perfiles rectangulares en una unidad de colector solar 2. Como en las realizaciones anteriores, pueden elegirse otros números y combinaciones de perfiles.

A continuación, se describirá en detalle la fabricación de una unidad de colector solar 2 según la invención mediante una serie de ejemplos:

Ejemplo

Se cortaron piezas en bruto de chapa de aluminio de dimensiones 1500 mm x 2000 mm para obtener un sustrato de dimensiones 1400 mm x 2000 mm. Cada borde longitudinal del sustrato se dobló a 90° con una anchura de 20 mm y luego a otros 90° con una anchura de 30 mm para obtener un borde doblado.

Los lados doblados del sustrato se fijaron a un molde mediante un dispositivo de tensión. La superficie de la placa se limpió y desengrasó. Los perfiles del tipo Prebeam™ 0,15Alu/1,0Alu se fijaron a las placas mediante 3M™ Scotch-Weld EPX Epoxy Adhesive DP490.

El peso de la unidad de colector solar individual fue el indicado en la siguiente Tabla 1.

Tabla 1

La unidad de colector solar terminada se colocó en un equipo de medición, en el que se fijó un borde lateral, mientras se apoyaba en un caballete colocado en el centro de la unidad de colector solar, el caballete tenía un diámetro de 100 mm y la esquina del otro borde lateral se cargó con una fuerza variable y se midió la deflexión como se ilustra en las Fig. 10 a 12.

Las pruebas se llevaron a cabo para un rango de números predefinidos de perfiles, incluyendo 5, 6 y 8, y un espesor de la placa de 1, 1,5 y 2 mm.

Los resultados se muestran en la siguiente Tabla 2.

Tabla 2

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una unidad de colector solar (2) adaptada para reflejar la luz sobre un receptor (4), que comprende:

un elemento reflector (21), y

una estructura de soporte (22) que soporta el elemento reflector (21), en la que el elemento reflector (21) es flexible y comprende una superficie reflectante y un sustrato (211) que tiene una longitud (L) y una anchura (b) predefinidas, y en la que la estructura de soporte (22) comprende un número predefinido de perfiles (221, 222, 223, 224, 225) por unidad de longitud dispuestos longitudinalmente y conectados al elemento reflector (21) a una distancia entre sí para proporcionar una forma predefinida de la unidad de colector solar (2) y en la que el sustrato (211) del elemento reflector (21) es una lámina flexible de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, magnesio y titanio o una combinación de los mismos y en la que la superficie reflectante se proporciona como un revestimiento o una película que tiene propiedades reflectantes.

2. Una unidad de colector solar (2) según la reivindicación 1, en la que el número de perfiles (221, 222, 223, 224, 225) por cada 2000 mm de longitud de sustrato (211) se encuentra en el intervalo de 3 a 12, preferentemente de 4 a 10, más preferentemente de 5 a 8.

3. Una unidad de colector solar (2) según la reivindicación 2, en la que el número predefinido de perfiles (221, 222, 223, 224, 225) se selecciona de forma que se limite la deformación para una carga de 20 kg a menos de 25 mm.

4. Una unidad de colector solar (2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el sustrato (211) tiene un espesor inferior a 2,5 mm, preferentemente en el intervalo de 1,0 a 2,0 mm, más preferentemente 1,5 mm.

5. Una unidad de colector solar (2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos algunos de los perfiles (221, 222, 223, 224, 225) están formados como miembros estructurales que se pueden conformar manualmente, y en la que cada miembro estructural tiene una sección transversal generalmente en forma de U y una configuración que se extiende longitudinalmente, comprendiendo una porción de base y dos porciones de pata que se extienden en ángulos sustancialmente rectos desde dicha porción de base, comprendiendo dicho miembro estructural al menos una porción corrugada e incluyendo cada porción de pata una primera sección que forma una pared interior de la porción de pata y una segunda sección paralela a dicha primera sección y que une la primera sección a lo largo de una primera línea de unión y la porción de base a lo largo de una segunda línea de unión, en la que dicho miembro estructural está formado integralmente a partir de al menos una hoja o lámina delgada que está corrugada en una forma de onda continua en la dirección longitudinal del miembro, y en la que las corrugaciones del lado exterior del miembro estructural están parcialmente cortadas en el área de la primera línea de unión.

6. Una unidad de colector solar (2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la superficie reflectante es una película con propiedades reflectantes y en la que la película es una película multicapa, preferentemente con propiedades de protección contra los rayos UV.

7. Una unidad de colector solar (2) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el elemento reflector (21) en su estado montado es plano, parabólico o tiene forma de casquete esférico.

8. Una unidad de colector solar (2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos los bordes que se extienden longitudinalmente del sustrato (211) están plegados.

9. Una unidad de colector solar (2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos algunos de los bordes del elemento reflector (21) están provistos de un elemento deflector.

10. Un procedimiento para proporcionar una unidad de colector solar (2) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende las etapas de

proporcionar un sustrato (211),

proporcionar una superficie reflectante en el sustrato (211) para formar un elemento reflector (21), proporcionar una estructura de soporte (22) que comprenda un número predefinido de perfiles (221-225) por unidad de longitud

conectar dichos perfiles al elemento reflector (21) en una configuración longitudinal,

adaptar la forma del elemento reflector (21), y

fijar la forma del elemento reflector (21) mediante la conexión de la estructura de soporte (22) al elemento reflector (21).

11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que el número predefinido de perfiles (221,222, 223, 224, 225) se selecciona en función de una unidad de longitud del sustrato (211).

12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el número predefinido de perfiles (221,222, 223, 224, 225) se selecciona para limitar la deformación para una carga de 20 kg a menos de 25 mm cuando la unidad de colector solar (2) se somete a una prueba que comprende las etapas de:

proporcionar un sustrato (211) con una longitud de 2000 mm y una anchura de 1400 mm,

doblar cada borde longitudinal del sustrato (211) 90° con una anchura de la altura del perfil, como por ejemplo unos 20 mm, y luego otros 90° con una anchura del resto de la placa, como por ejemplo unos 30 mm,

colocar la unidad de colector solar (2) en un equipo de medición fijando un borde lateral y colocando un caballete de 100 mm de diámetro debajo de un centro de la unidad de colector solar (2),

cargar una esquina del otro borde lateral con una fuerza variable,

medir la desviación en el borde longitudinal opuesto.