ES2977407T3 - Método y aparato para rastrear y concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijo - Google Patents

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Abstract

Métodos y aparatos para aparatos de concentración de ondas electromagnéticas (4) procedentes de una fuente en movimiento en un punto focal fijado al suelo. La invención describe un sistema de seguimiento para un dispositivo capaz de concentrar ondas electromagnéticas entrantes en un punto focal fijo. Esta concentración de las ondas electromagnéticas puede realizarse por reflexión, como en el caso de un plato reflectante (3), o por refracción como en el caso de una lente concentradora (3), que está impedida en un hemisferio (2), que puede ser real o imaginario, de modo que su punto focal coincida con el centro del hemisferio (2) y utilizar este aparato para rastrear dicha fuente en movimiento girando alrededor del centro fijo de dicho hemisferio, para enfrentar normalmente los rayos electromagnéticos entrantes. Se puede mantener un receptor (1) en el punto focal del dispositivo que utiliza los rayos concentrados para diversas aplicaciones, como fundir metales o cargar una célula solar. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para rastrear y concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijo
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método y un aparato para concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijado a tierra. La invención divulga un sistema de rastreo para un dispositivo capaz de concentrar ondas electromagnéticas entrantes en un punto focal fijo. Esta concentración de las ondas electromagnéticas puede hacerse por reflexión, como en el caso de un plato reflectante, o por refracción como en el caso de una lente de concentración. Las realizaciones de la invención también están diseñadas específicamente a casos donde la fuente de radiación electromagnética es el Sol. También se desvelan realizaciones que detallan el proceso y el aparato que permiten que el dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas se mueva, para rastrear la fuente en movimiento mientras se mantiene el punto focal de concentración fijado a tierra.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Existen dispositivos que pueden concentrar ondas electromagnéticas entrantes, tales como señales de luz y de telecomunicaciones, a sus respectivos puntos focales cuando las ondas electromagnéticas caen normales a sus aberturas. Tales dispositivos se han utilizado durante mucho tiempo en la concentración de energía solar, para concentrar rayos solares en el punto focal, y en telecomunicaciones para concentrar la señal al dispositivo receptor en el punto focal.
En aplicaciones solares, el plato parabólico solar reflector de concentración y la lente de concentración tienen muchas características importantes, tal como una alta concentración que da como resultado unas temperaturas muy altas del receptor o una alta eficiencia fotovoltaica (FV). De manera parecida, se puede usar una lente (ya sea una lente lisa o una de tipo Fresnel) para concentrar la luz y los rayos solares en el punto focal. En el mercado están disponibles productos en los cuales el plato parabólico rastrea el sol automáticamente y se usa la alta temperatura resultante para operar un motor Stirling, por ejemplo, o para concentrar el sol en CPV (energía fotovoltaica de concentración). En algunos casos, la alta temperatura se puede usar para fundir metales en el receptor.
El receptor tiene que moverse a medida que el plato o la lente cambian su ángulo para rastrear la señal o el sol. De manera parecida, este es el caso en todas las lentes de concentración solar donde el punto focal en todos los dispositivos existentes cambia de posición a medida que las lentes siguen al sol. Esto impone muchas limitaciones a las aplicaciones de los concentradores de plato parabólico o de lente, especialmente si el receptor es pesado o debe contar con un flujo de materiales hacia y (o) desde el mismo. En los concentradores solares de plato parabólico, por ejemplo, el peso del motor Stirling es una restricción importante junto con la carga del viento que limita a 25 KW la capacidad de generación de electricidad del mayor disco parabólico solar existente.
Se necesita un mecanismo de seguimiento complicado para concentrar el haz solar o la señal en un punto focal fijado a tierra. Se trató de resolver este problema fijando a tierra un colector lineal con un concentrador pivotante que cambia de ángulo. No obstante, en dicha técnica anterior el punto focal sigue cambiando a lo largo del receptor. Algunas técnicas anteriores versan sobre dispositivos de seguimiento donde el plato parabólico gira alrededor de una plataforma fijada a tierra. Aunque en la técnica se conocen varios concentradores de frentes de onda electromagnéticas, todos o casi todos adolecen de una o más desventajas. Todos estos dispositivos tienen un punto focal que se mueve a medida que el plato o la lente siguen al sol. Por lo tanto, existe la necesidad de proporcionar métodos y aparatos para fijar el punto focal a tierra mientras se rastrean y concentran las ondas entrantes.
El documento US 3998206 A desvela un aparato de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
La presente invención ilustra un método y un aparato para rastrear y concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijado a tierra. La invención divulga un sistema de rastreo para un dispositivo capaz de concentrar ondas electromagnéticas entrantes en un punto focal fijo. Una realización de tal invención se usa para el seguimiento y concentración de ondas solares entrantes.
BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN
El siguiente sumario se proporciona para facilitar una comprensión de algunas de las características innovadoras únicas de la realización desvelada, y no pretende ser una descripción completa. Se puede obtener una apreciación completa de los diversos aspectos de las realizaciones divulgadas en el presente documento tomando la memoria descriptiva completa, las reivindicaciones, los dibujos y el resumen en su conjunto.
La presente invención se refiere a un método y un aparato para rastrear y concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijado a tierra. La invención divulga un sistema de rastreo para un dispositivo capaz de concentrar ondas electromagnéticas entrantes en un punto focal fijo. Esta concentración de las ondas electromagnéticas se hace por reflexión, mediante un plato reflectante.
Las realizaciones de la invención también están diseñadas específicamente a casos donde la fuente de radiación electromagnética es el Sol. También se desvelan realizaciones que detallan el proceso y el aparato que permiten que el dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas se mueva, para rastrear la fuente en movimiento mientras se mantiene el punto focal de concentración fijado a tierra.
La presente invención implica un plato parabólico reflector como el dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas. Los aspectos de la presente invención residen además en métodos y un sistema de seguimiento para que el plato parabólico siga al sol, o a cualquier señal entrante, mientras concentra el haz solar o la señal en un punto focal fijado a tierra. El dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas, a saber, el plato parabólico reflectante, está sujeta en una semiesfera (que es ficticia) donde el punto focal del plato coincide con el centro de la semiesfera. Por ende, si se gira la semiesfera alrededor de su centro mientras está orientada en dirección normal al haz solar (o la señal entrante), el plato parabólico siempre concentrará el haz en el punto focal fijo. Basándose en este principio, se presenta un sistema de seguimiento práctico que concentra ondas electromagnéticas y está diseñado con una construcción fácil para un plato parabólico que siempre enfoca el haz solar, las señales de telecomunicaciones y otras ondas electromagnéticas en un punto focal fijado a tierra. Las aplicaciones de dicha invención sirven para fundir metales de manera continua mediante energía solar, producir hidrógeno a partir de agua mediante energía solar concentrada a alta temperatura, producir un ciclo combinado de alta eficiencia mediante energía solar concentrada, y para un motor Sterling a gran escala alimentado por plato parabólico.
Varios objetos, características, aspectos y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención, junto con los dibujos adjuntos en los cuales los números similares representan componentes similares.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La FIG. 1 ilustra una primera realización de un concentrador de ondas electromagnéticas donde un plato parabólico está sujeto en una semiesfera.
La FIG. 2.a es una demostración de un aspecto de la primera realización que muestra cómo el plato parabólico sujeto en una semiesfera, orientada en dirección normal a un haz solar, concentra el haz en el punto focal.
La FIG. 2.b es una demostración del hecho de que, a medida que la semiesfera de la FIG. 2.a gira alrededor de su centro fijo para seguir al haz solar y queda orientada en dirección normal al mismo, el dispositivo continuará concentrando el haz solar en el punto focal fijo.
La FIG. 3 ilustra una vista isométrica de otra realización de la invención que implica un plato reflectante parabólico junto con un sistema de seguimiento con el punto focal fijo.
La FIG. 4 ilustra una vista lateral de la realización mostrada en la FIG. 3, con un ángulo de inclinación entre cero y noventa grados.
La FIG. 5 ilustra una vista lateral de la realización mostrada en la FIG. 3, con un ángulo de inclinación de noventa grados. La FIG. 6 ilustra un ejemplo, que no forma parte de la presente invención, que muestra una vista isométrica de un diseño práctico para un sistema de seguimiento de lente de concentración con un punto focal fijo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Los valores y configuraciones particulares analizados en estos ejemplos no limitantes pueden verse sometidos a variaciones, y se citan simplemente para ilustrar al menos una realización y no pretenden limitar el alcance de la misma.
La presente invención ilustra métodos y aparatos para concentrar ondas electromagnéticas, originadas en una fuente en movimiento, en un punto focal fijo utilizando un dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas, en concreto, un plato parabólico reflectante que concentra ondas electromagnéticas normales entrantes en su punto focal, y sujetando dicho dispositivo en una semiesfera imaginaria de modo que su punto focal coincida con el centro de la semiesfera. La semiesfera puede rotar alrededor de su centro fijo y este aparato puede rastrear una fuente de ondas electromagnéticas en movimiento al girar alrededor del centro fijo de dicha semiesfera, para quedar orientada en dirección normal a los rayos electromagnéticos entrantes. Por ende, si se gira la semiesfera alrededor de su centro mientras está orientada en dirección normal a la onda electromagnética (o la señal entrante), el dispositivo siempre concentrará el haz en el punto focal fijo con respecto a tierra. El plato parabólico sujeto en la semiesfera siempre enfoca el haz solar, las señales de telecomunicaciones y otros frentes de onda electromagnética en un punto focal fijado a tierra.
En la invención tal y como se muestra en la FIG. 1, un plato parabólico (3) está sujeto en una semiesfera. El punto focal del plato parabólico coincide con el centro de la esfera (1 ), donde la semiesfera es en realidad la mitad de la esfera. En lo sucesivo en el presente documento, el centro de la esfera se denominará centro de la semiesfera. El centro de la semiesfera (1) está en un punto fijado a tierra. Por lo tanto, independientemente de la forma en que la semiesfera gire alrededor de su centro, el punto focal del plato parabólico sigue siendo el mismo que el centro de la esfera (que está fijado a tierra) para cualquier haz que sea normal al plano de sección transversal de la esfera o el plato parabólico. Para concentrar el haz solar, la señal de telecomunicaciones y otras señales electromagnéticas al receptor, solo es necesario rotar la esfera alrededor de su centro para que el haz solar o la señal electromagnética sea perpendicular al plano del centro de la semiesfera.
La FIG. 2.a es una demostración de un aspecto de la primera realización, en donde un haz solar (o señal electromagnética) (4) incide en dirección normal al área de sección transversal de la semiesfera (2) y, por lo tanto, en dirección normal al plato parabólico sujeto en la semiesfera (3). El plato parabólico concentrará el haz solar en el punto focal (1 ) que coincide con el centro de la semiesfera.
A medida que el haz solar (o la señal electromagnética) cambia su dirección, la semiesfera girará alrededor de su centro, como se muestra en la FIG. 2.b, para quedar orientada en dirección normal al haz.
Por consiguiente, el haz quedará orientado en dirección normal al plato parabólico, el cual, a su vez, lo concentrará en el punto focal que es el mismo que el centro de la semiesfera. Como se ha mencionado, este punto focal está fijado a tierra. Por lo tanto, independientemente de la dirección del haz solar (o de la señal), el plato parabólico lo/la enfocará en el punto focal fijo que también es el centro de la semiesfera. Solo es necesario girar la semiesfera alrededor de su centro para orientar el haz solar en dirección normal al plano semiesférico o curvatura parabólica. La semiesfera es ficticia.
La FIG. 3 es otra realización de la presente invención que muestra una vista isométrica del sistema de seguimiento de plato parabólico, con el punto focal fijo. En esta realización, el plato parabólico (3) está sujeto por dos brazos (2) que están unidos libremente a un soporte (6). Los dos soportes (6) están fijados a una plataforma, preferiblemente, una plataforma circular (7) sobre ruedas que gira en sentido horario o antihorario y está controlada por un motor lateral (8). Este puede ser un mecanismo de piñón-engranaje o un mecanismo de polea, o cualquier otro método de rotación conocido. La rotación de esta plataforma seguirá el ángulo azimutal del sol. El plato parabólico (3) soportado por los brazos (2) puede oscilar libremente alrededor de las juntas libres de los soportes (6). Para controlar este movimiento del plato parabólico, una cuerda está conectada al borde opuesto del plato y el otro extremo se enrolla alrededor de un motor (4) de plataforma fijado a la plataforma circular (7). La FIG. 4 proporciona una mejor vista de la cuerda. Al soltar cuerda o tirar de la misma, el motor (4) de plataforma controlará el ángulo de inclinación del plato para que coincida con el del sol. Por lo tanto, al girar la plataforma circular (7) controlada por el motor lateral (8) y soltar o tirar de la cuerda controlada por el motor (4) de plataforma, el plato parabólico siempre quedará orientado en dirección normal al sol mediante cualquier mecanismo de control conocido de los motores (4) y (8), como se ha analizado. Un receptor (1 ) puede ser, por ejemplo, aunque no de forma limitativa, un sistema fotovoltaico, un horno, un transceptor u otro sistema de seguimiento de ondas electromagnéticas, ubicado en el punto focal del plato parabólico (3) que es el mismo que el centro de la semiesfera imaginaria. Por consiguiente, siempre que el plato parabólico esté orientado en dirección normal al sol gracias a los motores (4) y (8) de control, el sol siempre se concentrará en el punto focal fijo en el receptor (1). El receptor está soportado en el suelo por un soporte (5) que tiene un pasaje, que hace circular un material hacia el receptor y/o desde el mismo. El material puede ser un fluido para mover una turbina, por ejemplo, aunque no de forma limitativa, una turbina de gas de ciclo combinado, etc. En lugar de quemar combustible para aumentar la temperatura del aire comprimido en la cámara de combustión, puede permitirse que el aire comprimido fluya hacia el punto focal de ubicación fija para su calentamiento a altas temperaturas y que a continuación fluya de regreso a la etapa de turbina. Este aire calentado se usa además para hervir el agua y generar vapor, para hacer funcionar la turbina de vapor. Esto dará como resultado la generación de electricidad solar de muy alta eficiencia. El pasaje también se puede usar para hacer circular materiales, por ejemplo, metales y no metales. Para la fusión continua de metales, el soporte también puede contener pasajes para cargar el metal sólido al receptor y permitir que el metal fundido fluya en sentido opuesto al receptor. La alta temperatura resultante en un punto fijo mediante los métodos descritos también puede usarse para la generación térmica de hidrógeno a partir de agua, y para otras aplicaciones de almacenamiento termoquímico de energía solar. El plato parabólico (3) tiene una ranura ligeramente más grande que las dimensiones del soporte (5), lo que le permite oscilar libremente como se muestra claramente en la FIG. 3. De manera adicional, puede forzarse el receptor para que siempre esté orientado hacia el plato si fuera necesario, colocándolo en un pivote tridimensional (9) conectado a la varilla que gira con el ángulo de inclinación del plato. Esto garantizará que el receptor siempre reciba en dirección normal el haz solar, la señal de telecomunicación o cualquier otra señal electromagnética concentrada. Esto resulta especialmente importante para ciertos casos, tal como cuando el receptor es un motor Stirling. Por otro lado, el soporte también puede actuar desde la parte superior del plato y desde la parte inferior del mismo, para cualquier aplicación necesaria.
La FIG. 4 es una vista lateral de la vista isométrica mostrada en la FIG. 3, con un ángulo de inclinación entre cero y noventa grados.
La FIG. 5 es una vista lateral de la vista isométrica mostrada en la FIG. 3, con un ángulo de inclinación de noventa grados, y se puede imaginar fácilmente la posición del sistema cuando el sol está en dirección normal a tierra.
La FIG. 6 es otro ejemplo, que no forma parte de la presente invención, que muestra una vista isométrica de un diseño práctico para un sistema de seguimiento de lente de concentración con un punto focal fijo. En muchos casos, es necesario concentrar los haces solares desde arriba en un receptor situado en la parte inferior. En ese caso, se usa una lente de concentración. La lente puede ser una lente lisa o de tipo Fresnel. En la FIG. 6 se muestra un sistema de concentración de ondas electromagnéticas similar al descrito para el plato parabólico. De manera similar a lo descrito anteriormente para la FIG. 3, el receptor (1), los brazos (2) de conexión, el motor (4) de plataforma de control de cuerda, el soporte (5) de receptor, los soportes (6), la plataforma (7) y el motor lateral (8) son iguales a los descritos anteriormente y tienen la misma función. No obstante, el plato parabólico (3) de la FIG. 3, que oscila desde debajo del receptor (1), se ha reemplazado en la FIG. 6 con una lente (3) de concentración que oscila por encima del receptor, concentrando el haz solar directamente sobre el mismo. La ubicación del motor (4) en la FIG. 6 es diferente de su ubicación en la FIG. 3, la FIG. 4 y la FIG. 5. Como los motores (4) y (8) de la FIG. 6 controlan la posición de la lente para que sea siempre normal al haz solar, la lente concentrará el sol sobre el receptor (1) en el punto focal fijo. De manera similar, el receptor (1 ) puede ser rígido o pivotar sobre un pivote tridimensional para obligarlo a que quede orientado en dirección normal a la lente de concentración.
El sistema y el aparato de rastreo ilustrados en la presente invención, construidos para el dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas, a saber, el concentrador de plato parabólico reflectante, que mantiene el punto focal fijo, presenta muchas aplicaciones que no se pueden obtener de manera convencional. Para aplicaciones solares, los métodos descritos en la FIG. 3 y la FIG. 4 permiten la fusión continua de metal, ya que el soporte también puede contener pasajes para cargar metal sólido en el receptor y permitir que el metal fundido fluya en sentido opuesto a mismo. Otra aplicación importante es que estos métodos pueden usarse para turbinas de gas de ciclo combinado. En lugar de quemar combustible para aumentar la temperatura del aire comprimido en la cámara de combustión, se permite que el aire comprimido fluya hacia el punto focal de ubicación fija para su calentamiento a altas temperaturas y que después fluya de regreso a la etapa de turbina y, a medida que sale, puede hervirse vapor de manera similar a cualquier turbina de vapor de ciclo combinado. Esto dará como resultado la generación de electricidad solar de muy alta eficiencia. La alta temperatura resultante en un punto fijo mediante los métodos descritos también puede usarse para la generación térmica de hidrógeno a partir de agua, y para otras aplicaciones de almacenamiento termoquímico de energía solar. De manera adicional, dado que esta invención soporta el punto focal, el actual plato parabólico de seguimiento puede usarse para generar energía a gran escala usando un motor Stirling pesado, lo cual no era posible en un sistema de punto focal móvil.
Se apreciará que pueden combinarse deseablemente variaciones de las características y funciones divulgadas anteriormente, y otras, o alternativas de las mismas, para formar muchos otros sistemas o aplicaciones diferentes sin desviarse del alcance de las siguientes reivindicaciones. También se apreciará que los expertos en la materia podrán efectuar posteriormente diversas alternativas, modificaciones, variaciones o mejoras actualmente imprevistas o no anticipadas sin desviarse del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para concentrar ondas electromagnéticas, procedentes de una fuente en movimiento, en un punto focal fijo, que comprende:
- una semiesfera imaginaria capaz de girar alrededor de su centro fijo;
- un dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas que concentra en su punto focal ondas electromagnéticas normales entrantes, estando dicho dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas sujeto en dicha semiesfera imaginaria de tal manera que su punto focal coincida con el centro de la semiesfera, en donde dicho dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas gira alrededor del centro de dicha semiesfera imaginaria para mantener su punto focal fijado a tierra, en donde dicho dispositivo (3) de concentración es un plato parabólico reflectante
- un receptor (1 ) ubicado en dicho punto focal;
- una plataforma giratoria (7), sobre ruedas y giratoria, controlada por un motor lateral (8) para seguir el ángulo azimutal del sol, que tiene dos soportes (6) que tienen juntas y que están fijados a dicha plataforma giratoria (7);
en donde dicho dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas está sujeto por dos brazos (2);
en donde dicho aparato comprende además un soporte (5) que soporta el receptor (1) en tierra y que está fijo con respecto a dicha plataforma (7);
en donde el soporte (5) está provisto de un pasaje para hacer circular un material hacia o desde el receptor (1),caracterizado por que: dichos brazos (2 ) están unidos libremente a los dos soportes (6) de modo que los brazos (2 ) puedan oscilar libremente alrededor de las juntas de los soportes (6), ypor que, para controlar el movimiento del dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas, una cuerda está conectada por un extremo al borde opuesto de dicho dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas y su otro extremo está enrollado alrededor de un motor (4) de plataforma, fijado a la plataforma (7),
en donde al soltar cuerda o tirar de la misma, el motor (4) de plataforma controla el ángulo de inclinación de dicho dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas para que quede orientado en dirección normal al sol.
2. El aparato de acuerdo con la reivindicación anterior,caracterizado por queel receptor (1) se coloca a lo largo de un pivote tridimensional (9) que gira con el ángulo de inclinación de dicho dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas para recibir en una dirección normal las ondas electromagnéticas concentradas.
3. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quedicho dispositivo (3) de concentración de ondas electromagnéticas está provisto de una ranura ligeramente más grande que las dimensiones del soporte (5) para permitir que el dispositivo de concentración de ondas electromagnéticas oscile libremente.
4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel motor lateral (8) controla la rotación de la plataforma (7) mediante uno cualquiera de un mecanismo a seleccionar de un grupo que comprende un mecanismo de engranaje de piñón y un mecanismo de polea.
5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel receptor (1) forma un fundidor de metal que se calienta mediante los rayos concentrados, donde el metal fluye hacia el fundidor a través de un pasaje y el metal líquido fundido fluye hacia abajo a través de otro pasaje en el soporte (5) del receptor (1).
6. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel receptor (1) es una cámara de combustión de una turbina de gas de ciclo combinado que eleva la temperatura del aire comprimido tras la etapa de compresor, haciéndolo pasar a través del receptor (1 ) para su calentamiento mediante los rayos concentrados.
7. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel receptor (1) es un motor Sterling pesado.
8. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel receptor (1) es la parte receptora caliente de un generador de hidrógeno de un dispositivo de división de agua que divide el agua en hidrógeno y oxígeno.
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