ABSORBEDOR SOLAR
CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un absorbedor solar con un cuerpo absorbedor, el cual presenta un lado adyacente al concentrador y un lado opuesto al concentrador y presenta una capa de absorción selectiva, que por debajo de una longitud de onda límite absorbe el espectro de la radiación solar y por encima del la longitud de onda límite reduce la capacidad de radiación del cuerpo absorbedor. La invención se refiere también a una absorbedor solar de acuerdo con la idea general de las reivindicaciones 13, 17 y 22. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El absorbedor solar es aquella parte de un colector solar en el cual la radiación solar se transforma en calor. En el absorbedor además de pérdidas ópticas también se presentan pérdidas térmicas, ya que por medio de la transformación de la radiación solar en calor adquiere una temperatura más alta que la temperatura ambiental. En los colectores concentradores como los colectores de canales parabólicos, colectores Fresnel y torres solares, los absorbedores típicamente se calientan a aproximadamente
100° C. Las pérdidas por radiación que de acuerdo con la fórmula de Planck son proporcionales a la cuarta potencia de la temperatura son las que dominan por sobre las
pérdidas por convección en los absorbedores aislados al vacío . El problema técnico se encuentra en el deseo contradictorio de que los absorbedores por un lado absorban bien la radiación solar, y que por otro lado deben emitir inadecuadamente la propia radiación. De acuerdo con la ley de Kirchhoff la capacidad de absorción y emisión espectral de un cuerpo son iguales. Este problema puede resolverse por medio de un recubrimiento óptico selectivo, el cual tiene una longitud de onda límite, bajo el cual es grande la capacidad de absorción y sobre el cual la radiación propia emitida es reducida. Una capa de absorción aprovecha la situación de que son diferentes los rangos de longitudes de onda para la radiación que se va a absorber y para la radiación propia emitida por el absorbedor y la cual debe reducirse . En el documento WO 97/26488 se describen cuerpos de absorción, que presentan un recubrimiento ópticamente selectivo. Los recubrimientos se caracterizan porque por un lado absorben bien la radiación de onda corta emitida por el sol (máximo a 0.5 µm) , pero por otro lado emiten mal al ambiente la radiación de onda larga que sale del absorbedor (máximo a 3.5 a 5 µm) . Las capas de absorción selectivas en el rango espectral solar de onda corta presentan una baja capacidad de reflexión espectral y una alta capacidad de
absorción, pero por el opuesto en el rango espectral de onda larga presentan una capacidad de reflexión espectral lo más alta posible y una reducida emisividad. La longitud de onda límite ideal, en la cual se presenta la transición de capacidad de reflexión baja a alta, depende principalmente de la temperatura operativa de la capa de absorción. Por lo tanto se han desarrollado diferentes capas selectivas para los colectores de placas planas, los colectores de tubos al vacío y los colectores de canales parabólicos. Al presentar las longitudes de onda límite óptimas de la capa de absorción ópticamente selectiva ideal hasta ahora solo se había tomado en cuenta la temperatura del absorbedor. Dependiendo de la temperatura se ajusta la longitud de onda límite a un espectro solar estándar. La longitud de onda límite ideal sin embargo también depende de la concentración de la radiación solar. En el caso de colectores solares concentradores el factor de concentración frecuentemente no está distribuido uniformemente homogéneo sobre la superficie del absorbedor. Así en el caso de un colector de canales parabólicos solo aproximadamente la mitad llega la mitad de la radiación solar concentrada por el tubo absorbedor, mientras que la otra mitad es radiada en la radiación solar no concentrada. En el lado adyacente al concentrador se concentra la
radiación típicamente en factores de 10 a 100 veces. En una capa de absorción homogénea selectiva que se encuentra sobre la periferia del cuerpo absorbedor, las pérdidas térmicas no se reducen por medio de la radiación. SUMARIO DE LA INVENCION Por lo tanto la invención se propone la tarea de minimizar las perdidas de radiación en un absorbedor solar concentrador, esto es tanto del lado adyacente al concentrador como también en el lado opuesto del concentrador, para producir un aumento en la obtención del calor recolectado. Esa tarea se resuelve con un absorbedor solar de acuerdo con las reivindicaciones 1, 13 y 17. Las soluciones consideran una capa de absorción sobre el cuerpo absorbedor, un recubrimiento sobre el tubo hueco así como cuando menos un elemento entre el tubo absorbedor y el tubo hueco, lo cual se describe a continuación de forma particular. También es posible combinar entre sí todas las soluciones, lo que es el objetivo de la reivindicación 22. De acuerdo con una primera variante se provee que la capa absorbente del cuerpo del absorbedor del lado adyacente al concentrador presente una longitud de onda límite que sea mayor que la longitud de onda límite sobre el lado opuesto
al concentrador. La invención se basa en el conocimiento que ambos lados opuestos del cuerpo del absorbedor están sometidos a diferentes densidades de radiación y por lo tanto tiene diferentes propiedades de absorción y emisión. En el lado adyacente al concentrador la longitud de onda límite asciende por ejemplo a 2.350 nm. Por medio de las diferentes longitudes de onda a ambos lados se logra que se ajuste la longitud de onda límite a la densidad espectral, de tal forma que la ganancia en la radiación incidente se optimice dependiendo de la densidad espectral. Con esto puede obtenerse un muy alto rendimiento (ganancia) de radiación . Bajo el término concentrador debe entenderse cualquier sistema óptico concentrador. En especial son concentradores lentes de Fresnell, espejos, sistemas de lentes o lentes colectoras. En el caso más sencillo el recubrimiento está dividido en dos zonas con diferentes capas de absorción. La división puede retinarse al proveer más de dos zonas con longitudes de onda límites que varían escalonadamente. Con esto cada una de las zonas está adecuada a la intensidad de radiación local.
La invención es especialmente aplicable en colectores de canales parabólicos, que presentan un tubo absorbedor que se extiende longitudinalmente, a través del cual fluye un aceite, en el cual un espejo parabólico que se extiende longitudinalmente concentra la radiación solar al tubo absorbedor. La invención también puede aplicarse a otros tipos de absorbedores solares, que atrapan la radiación solar concentrada. Es adecuada para todos los casos en los cuales la intensidad de la radiación es diferente en las diversas zonas planas del cuerpo del absorbedor. El cuerpo absorbedor preferentemente es un tubo, en especial un tubo de acero o un cuerpo poroso de cerámica. El grosor de la capa absorbente preferentemente es menor a 10 µm, en especial es menor a 200 nm. La capa absorbente preferentemente está dividida en dos zonas con diferentes longitudes de onda. Aquí se extiende una zona sobre todo el lado del cuerpo absorbedor opuesto al concentrador. Cuando el cuerpo absorbedor es un tubo, bajo una zona se entiende una superficie que por un lado se extiende sobre una longitud tubular y por otro lado sobre un arco circular. Varias zonas se
encuentran una junto a la otra en la dirección periférica del tubo. La capa absorbente puede estar dividida en zonas con longitudes de onda límites que varían continuamente. Aquí la transición de una zona a la siguiente zona puede ser continua. También dentro de las zonas puede modificarse continuamente la longitud de onda límite. El ajuste de diferentes longitudes de onda en las zonas individuales puede obtenerse por medio de diferentes, grosores en la capa del absorbedor o las capas individuales del sistema total de capas. Para esto se prefieren las modificaciones al grosor de las capas de aproximadamente 5 a 20%, preferentemente de 10 a 20%. La reducción del grosor de las capas puede realizarse alrededor de toda la periferia del tubular, lo cual técnicamente puede realizarse por ejemplo porque la velocidad de rotación del tubo se modifica durante el proceso de recubrimiento. Preferentemente la capa del absorbedor se aplica sobre el lado adyacente al concentrador en un 5 a 20% más delgada que sobre el lado opuesto al concentrador. Con esto se modifica la longitud de onda límite, que en la capa del absorbedor pasa de la
absorción y la reflexión a longitudes de onda más cortas. Así se reduce el grado de emisión para altas temperaturas. Simultáneamente se reduce también la absorción solar, ya que una gran parte del espectro solar es reflejado. La capa del absorbedor puede estar conformada de un sistema de tres capas consistentes de una capa especular metálica, una capa de cermet y una capa dieléctrica antireflej ante . La variación del grosor para modificar la longitud de onda límite se realiza preferentemente en la capa de cermet. Por medio de la reducción de la capa de cermet se reduce el grado de absorción también en la zona del espectro visible. Por medio del aumento del grosor en la capa antireflej ante puede equilibrarse parcialmente sin influir sobre la longitud de onda límite. Por lo tanto es razonable que al reducir el grosor del cermet se eleve el grosor de la capa antireflejante . Para simplificar el procedimiento de producción también puede realizarse una variación al grosor de la capa, para lo cual se realiza una rotación irregular en un tubo en particular o en todos los procesos de recubrimiento. De acuerdo con otra modalidad, para ajustar las longitudes de onda límite variables la capa
absorbente puede presentar diferentes composiciones en zonas particulares. La diferente composición se obtiene preferentemente por medio del material de relleno metálico que en algunas zonas está presente en diferentes proporciones. Este material de relleno metálico puede preferentemente estar presente en la capa de cermet. Como material de relleno metálico se prefiere cromo, aluminio, cobre y/o molibdeno. Las fracciones del material de relleno en la capa de cermet se encuentran en las zonas particulares entre
y 60%. El concentrador tiene una alta reflexión en todo el rango de longitud de onda entre el rango visible y el rango infrarrojo. Por medio del grosor y/o la composición de la capa de cermet y/o la capa antireflej ante puede modificarse la fracción de la radiación absorbente en la zona visible o en la cercanía de la zona infrarroja. De acuerdo con otra variante de la invención el absorbedor solar presenta un tubo absorbedor y un tubo hueco, que rodea al tubo absorbedor, en el cual en combinación con un concentrador del absorbedor solar presenta un lado adyacente al concentrador y un
lado opuesto al concentrador. Se provee de acuerdo con la invención que cuando menos en la zona del tubo hueco sobre el lado adyacente al concentrador esté provista un recubrimiento reflejante de la radiación térmica. Este recubrimiento en la zona de longitudes de onda de la radiación solar puede ser semitransparente (recubrimiento de bajo e) o reflejante (espejo metálico) . Este recubrimiento puede extenderse cuando mucho sobre la mitad de la periferia del tubo hueco. Aquí el recubrimiento está preferentemente aplicado sobre el lado interno del tubo hueco. Preferentemente el recubrimiento está provisto en dos zonas de borde laterales, entre las cuales no está aplicado ningún recubrimiento. Con esto es posible utilizar la fracción de radiación solar directa, que incide en la sección entre las zonas de borde. La fracción que proviene directamente del sol y que incide directamente sobre el absorbedor, esto es sin desviación por parte del concentrador, en colectores de canales parabólicos habituales asciende a aproximadamente 1% de la radiación total que puede ser captada. Las zonas de borde laterales son aquellas
zonas en las cuales no incide ninguna radiación directa del sol ni tampoco la radiación reflejada del concentrador. Se recomienda por lo tanto aplicar un recubrimiento correspondiente en las zonas de borde, para reducir las pérdidas de calor en esa zona. Puede entonces ser razonable un recubrimiento completo de toda la zona del tubo hueco, que está adyacente al concentrador, por medio de un recubrimiento transparente metálico, cuando es elevada la temperatura operativa del absorbedor solar . Bajo el término semitransparente se entiende una transmisión de preferentemente 30 a 70%, refiriéndose la transmisión a la zona de la longitud de onda de la radiación solar en el rango de 300 nm a 2500 nm. En el rango infrarrojo (rango de longitud de onda > 2500 nm) el recubrimiento metálico preferentemente es altamente reflejante, entendiéndose un grado de reflexión de >70%. El recubrimiento consiste preferentemente de un material con un alto grado de reflexión. Como material para este recubrimiento se utiliza preferentemente aluminio o plata. De acuerdo con otra variante de la invención, entre el tubo hueco y el tubo absorbedor,
del lado adyacente al concentrador, está colocado un elemento con un material reflejante en el rango IR. Este elemento puede ser una película metálica, una tela o una lámina. La colocación de uno o más de esos elementos puede seleccionarse de forma que corresponda al recubrimiento del tubo hueco. Además el elemento puede extenderse sobre la mitad de la periferia tubular del tubo absorbedor. Pueden también proveerse dos elementos, que están colocadas en zonas de borde laterales, de forma correspondiente a la forma del recubrimiento del tubo hueco en las zonas de borde. El o los elementos pueden presentar cantos inclinados, con lo se logra un efecto de concentración adicional. Los cantos inclinados tienen preferentemente un ángulo <45° en relación al eje del concentrador . El o los elementos consisten preferentemente de aluminio o acero inoxidable. Para elevar la reflexión en el rango de longitudes de onda infrarrojas puede el elemento estar adicionalmente recubierto con plata. Ya que el elemento está colocado en el espacio intermedio entre el tubo absorbedor y el tubo hueco. Es obvio que la unión a uno de los dos tubos
conduce a tensiones debido a los diferentes coeficientes de dilatación longitudinal de los diferentes materiales. Por lo tanto se prefiere utilizar un material dilatable y/o colocar el o los elementos de forma móvil, en especial de forma desplazable . BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Modalidades ejemplificativas de la invención se describen a continuación con la ayuda de los dibujos. En los cuales: La figura 1 muestra una representación esquemática de un absorbedor solar con un cuerpo absorbedor y un concentrador, La figura 2 muestra un diagrama circular de la densidad de radiación incidente sobre el cuerpo absorbedor, La figura 3 muestra un diagrama de la densidad de radiación espectral y del grado de absorción en dependencia de la longitud de onda en el caso de radiación incidente no concentrada, La figura 4 muestra un diagrama de la densidad de radiación espectral y el grado de absorción en caso de radiación concentrada incidente,
La figura 5 muestra una sección transversal de un primer ejemplo de realización para el cuerpo
absorbedor, La figura 6 muestra una sección transversal parcial a través del tubo absorbedor mostrado en la figura 5, Las figuras 7 a 11 muestran un absorbedor solar con un tubo absorbedor y un tubo hueco en corte de acuerdo con diferentes formas de realización. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION La figura 1 muestra el cuerpo absorbedor 10, tratándose aquí de un tubo absorbedor 30 que se extiende longitudinalmente, en cuyo espacio interior 11 fluye un medio de transmisión térmica. La radiación solar incidente 12 se concentra o enfoca por medio de un concentrador 13 en forma de un espejo parabólico sobre el cuerpo absorbedor 10. El cuerpo absorbedor 10 absorbe la radiación solar y la transforma en calor, que es transferida al medio de transmisión de calor. Así se calienta el medio de transmisión de calor. La figura 2 muestra la distribución de la densidad de radiación 14 sobre la periferia del cuerpo absorbedor en coordenadas polares. Del lado 36 adyacente al concentrador 13, la densidad de radiación es alta. En el lado 38 opuesto al concentrador, la densidad de radiación es igual a la
densidad de radiación de la radiación solar incidente, la cual puede designarse con el valor "1". En la figura 3 se muestra la distribución espectral de la densidad de radiación de la radiación solar incidente por medio de la curva designada con 20, Con 21 se designa una curva, la cual muestra la densidad de radiación espectral de un cuerpo negro a una temperatura de 500° C. Ambas curvas 20 y 21 tienen cada una un máximo y de allí descienden a ambos lados. Ambas curvas están separadas entre si, se cortan sin embargo en la base. Con 22 se designa la longitud de onda límite ideal, que atraviesa el punto de intersección del espectro solar 20 y el espectro del cuerpo negro 21. Por debajo de esta longitud de onda el absorbedor ópticamente selectivo ideal absorbe completamente la radiación solar, mientras que solo emite reducidas pérdidas de radiación. Esas pérdidas de radiación consisten de la superficie por debajo de la longitud de onda límite de 1350 nm que queda bajo la curva 21. Por encima de la longitud de onda límite 22 el grado de absorción, y con esto el grado de emisión, son igual a cero. Esto significa que el cuerpo de absorción 10 no radia calor, mientras que solo pierde una escasa cantidad de radiación solar por medio del
reflejo. Esta perdida de radiación es proporcional a la superficie bajo la curva 20 para longitudes de onda ? > 1350 nm. La figura 4 muestra el espectro solar 20a concentrado en un factor de 50 así como la curva 21a el espectro de un cuerpo negro caliente a 500° C. La escala de la curva de la figura 4 se modifico en relación a la figura 3. La curva 22a muestra el curso del grado de absorción de un recubrimiento ópticamente selectivo ideal. Se extiende a través del punto de intersección de ambas curvas 20a y 21a, que en el caso de una densidad de radiación elevada se encuentra en una longitud de onda ? = 2400 nm. Así se desprende de las figuras 3 y 4, que en el caso de densidades de radiación mayores, la curva 22 se desplaza hacia mayores longitudes de onda . La invención aprovecha la situación, en la cual el cuerpo absorbedor 10 está realizado en forma de un tubo absorbedor 30, que de acuerdo con la figura 5 tiene diferentes capas absorbentes 17, 18. La capa absorbente 17 en la zona 4 0 se encuentra sobre el lado adyacente al concentrador 13 y la capa absorbente 18 en la zona 45 se encuentra sobre el lado 38 opuesto al concentrador.
Las capas absorbentes 17 y 18 son capas delgadas en el rango nanométrico. Consisten de materiales como los que se describen por ejemplo en el documento de patente WO 97/26488. En especial se trata de capas absorbentes de interferencia a base de Ti-N-O, que dependiendo del grosor de la capa producen efectos de diferentes colores. Las capas absorbentes 17,18 pueden básicamente consistir del mismo material base, diferenciándose las zonas individuales por medio de diferentes grosores de las capas . Por medio del efecto de la interferencia se producen diferentes longitudes de onda límites 22 para las zonas . El grosor de la capa de absorción debe ser menor a 10 µm y en especial menor a 1000 nm, y de forma más preferente menor a 100 nm. La capa absorbente está aplicada de forma homogénea. En la siguiente tabla 1 se muestra un ejemplo de realización de un absorbedor solar de acuerdo con la presente invención. En ello ? representa la longitud de onda, GWL la longitud de onda límite y e la emisividad de la capa absorbente.
Tabla 1:
Se reconoce que el absorbedor solar en total tiene una capacidad de absorción alta sobre todas las zonas de diferente densidad de radiación y produce una alta ganancia de la radiación incidente. Las capas absorbentes 17 y 18 en la figura 5 pueden también poseer ambas la misma construcción en capas. Las capas se producen preferentemente por medio de una técnica de capa delgada, en la cual varias capas se aplican secuencialmente sobre un sustrato. En especial pueden deponerse secuencialmente una capa especular 25, una capa de cermet 26 y una capa dieléctrica antireflejante 27 sobre un tubo de acero 31 (ver figura 6) . El grosor y/o la composición de la capa de cermet y antireflej ante 26, 27 influyen sobre la fracción de la radiación absorbida. En la capa de cermet 26 está
contenido un material de relleno que habitualmente representa del 20 al 60% de la capa de cermet 26. Como material de relleno entran en consideración en especial cromo, aluminio, cobre o molibdeno. Las propiedades ópticas de la capa absorbente se modifican al variar el grosor y/o la composición de la capa en las zonas 17 y 18. En el lado adyacente al concentrador la capa absorbente 18 es de aproximadamente 5 a 20% más delgada que sobre la capa absorbente 17 opuesta al concentrador. El grosor preferentemente no se modifica. Con esto se logra la modificación de la capa absorbente solo por medio de la variación de los recubrimientos de cermet y antireflejante . La capa absorbente 18 adyacente al concentrador 14 abarca cuando máximo la mitad de la periferia tubular. La reducción del grosor de la capa puede por ejemplo obtenerse al variar la velocidad de rotación del tubo durante el proceso de recubrimiento . En la figura 7 se representa otra modalidad que presenta un tubo absorbedor 30 y un tubo hueco 32, en el lado interno del tubo hueco 32 está aplicado un recubrimiento 60. El recubrimiento 50 preferentemente metálico se encuentra en la zona 55 del tubo hueco, que es adyacente al concentrador no
representado. En la zona 50 del tubo hueco 32, que está opuesta al concentrador no se ha provisto ningún recubrimiento sobre el tubo hueco 32. En la figura 8 se representa una modalidad diferente, que se diferencia de la modalidad representada en la figura 7, en que el recubrimiento 60 no solo esta aplicado en la zona de borde 56, 57, sobre el cual no incide la radiación solar directa, que se muestra por medio de la flecha, ni tampoco la radiación reflejada por el concentrador. En la zona intermedia 58 se ha provisto un recubrimiento opaco o semitransparente, de tal forma que en esa zona 58 se permite el paso de a radiación solar y esta puede incidir sobre el tubo absorbedor 30. La semitransparencia del recubrimiento metálico en la zona 58 se encuentra en el rango de longitud de onda de la radiación solar 3000 nm a 2500 nm. La fracción de la radiación transmitida de la radiación incidente total se encuentre en el espectro de la luz solar preferentemente a aproximadamente 30 a 70%. En la zona infrarroja lejana (>2500 nm) el recubrimiento es altamente reflejante, esto es la fracción porcentual de la radiación reflejada es mayor a 70%.
En la figura 9 en esa zona 58 no se provee ningún tipo de recubrimiento. Si el lado 38 adyacente la reflector es opaco o no permite el paso de la radiación solar, entonces una zona del tubo hueco 20 puede dejarse sin recubrir. La zona sin recubrir forma al mismo tiempo una ventana para la radiación solar que incide desde afuera sobre el lado 38 opuesto del tubo hueco 32. Con esto se garantiza que esa radiación solar puede utilizarse para obtener calor. En la figura 10 se representa otra forma de realización, en la cual entre el tubo absorbedor 30 y el tubo hueco 32 está colocado un elemento 70, que consiste de un material que refleja el rango infrarrojo. Ese elemento 70 se extiende sobre más de la mitad de la periferia y se encuentra en la zona opuesta al concentrador. El elemento 70 consiste de una película metálica que preferentemente está producida de aluminio o acero inoxidable. Para elevar la capacidad de reflexión en el rango de longitudes de onda IR pueden utilizarse además como película materiales recubiertos con plata. La película metálica está acoplada térmicamente en el tubo absorbedor o en el tubo hueco. Con esto se evita que la película
metálica se caliente localmente y como consecuencia se modifique su forma o posición en la ranura anular por medio de la dilatación térmica. Durante la operación el tubo absorbedor 30 se calienta de tal forma que se dilata. La película metálica también puede dilatarse y moverse, de tal forma que se compensan las diferencias de longitud entre el tubo absorbedor 30 y la película metálica. En la figura 11 se representa otra modalidad que en la cual en el espacio intermedio del tubo absorbedor 30 y el tubo hueco 32 presenta dos elementos 71, 72, que están colocados en las zonas de borde 76 y 77, en los cuales no incide ni la radiación reflejada por el concentrador ni la radiación solar directa. Para elevar el rendimiento de la radiación, en los bordes se han provisto cantos inclinados 78, que con el eje del concentrador (no mostrado) forman un ángulo de 45°. LISTA DE REFERENCIA 10 cuerpo absorbedor 11 espacio interior 12 radiación solar 13 concentrador 14 densidad de radiación
17 capa absorbente 18 capa absorbente 29 curva del espectro solar 21 curva del espectro del cuerpo negro
21a curva 22 longitud de onda límite 22a curva 25 capa especular 26 capa de cermet 27 capa antireflejante 30 tubo absorbedor 31 tubo hueco 36 lado adyacente al concentrador
38 lado opuesto al concentrador 40, 45 zona del tubo absorbedor 50, 55 zona del tubo hueco 56,57 zona borde 58 zona intermedia 60 recubrimiento metálico 70,71,72 elemento 76,77 zona borde 78 canto