MX2011004689A - Cabezal de vacio mejorado y redundante para colector solar. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un cabezal al vacío que mejora la captación y conservación de la energía solar en los colectores solares térmicos. El dispositivo se refiere a un cabezal al vacío el cual forma un cabezal estructural al vacío al cual se unen uno o varios tubos colectores de alta transmitancia en el espectro solar en paralelo. La innovación principal del cabezal al vacío es que este permite proveer vacío a tubos colectores solares simples (vacío mejorado) así como también crea una situación de vacío redundante en los casos en que se utilicen tubos colectores al vacío, pues los sellos de estos quedan dentro del cabezal, por lo que si llegan a fallar los sellos no se produce una disminución en la eficiencia del colector pues los tubos solares colectores al vacío no perderán su vacío. Otra de las principales innovaciones que este novedoso sistema presenta es que aumenta significativamente la vida útil de los tubos colectores solares al vacío pues se cuenta con una doble protección, una es la protección que ofrece el cabezal que se encuentra al vacío y la otra es la que ofrece el tubo colector que se encuentra sellado. Una tercera innovación de este sistema es que en caso de falla en algún tubo colector de calor, permite el cambio del mismo en una forma rápida y sencilla y recuperar el vacío para regresar el sistema a su alta eficiencia de captación de calor. Debido a que el sistema completo se puede manejar como un colector de baja temperatura, la configuración se forma utilizando componentes convencionales, lo que garantiza una mejor eficiencia, un reducido costo de fabricación y una fiabilidad mayor.

Description

CABEZAL DE VACIO MEJORADO Y REDUNDANTE PARA COLECTOR SOLAR DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención es proveer un dispositivo que logra la mejora en la captación de la energía solar, aumenta la confiabilidad, reduce las pérdidas de energía y reduce el mantenimiento de los colectores solares térmicos al vacío o aquellos que utilizan algún otro gas con un bajo coeficiente de transferencia térmica como medio aislante.

El dispositivo es un Cabezal al Vacío (CAV) que sirve de acoplamiento para Tubos Colectores Solares (TCS) y Tubos Colectores Solares al Vacío (TCSV), preparado para evacuar el aire de su interior y crear un alto nivel de vacío o proveer a su interior un gas con un bajo coeficiente de transferencia térmica.

El objeto de esta invención también permite que se combine el uso de un gas con bajo coeficiente de transferencia térmica con diferentes niveles de vacío. El CAV puede ser utilizado para generar sistemas de colectores solares con vacío sencillo o vacío redundante. En donde se entiende que para los sistemas de vacío simple el volumen evacuado de los TCS y el CAV es uno solo, mientras que el vacío redundante se genera al utilizar TCSV en donde el vacío de cada tubo y el del CAV son independientes y se vuelven interdependientes únicamente si el sello de vacío del TCSV llegara a fallar, esto debido a que el sello de vacío queda dentro del CAV.

Aspecto importante para el uso del CAV para conformar un Colector Solar al Vacío, es que los TCS o TCSV deben estar sellados herméticamente en uno de los extremos y el otro extremo debe quedar dentro del CAV y la unión entre dichos componentes (CAV y TCS; CAV y TCSV) debe ser tal que sea capaz de impedir la entrada de aire al sistema o la salida del gas de bajo coeficiente de transferencia térmica (en caso de estar a una presión superior a la atmosférica). Dentro del CAV se considera se pueda implementar cualquier tipo de conexión hidráulica de las conocidas en la industria. Esto utilizando tubos en U, Tubos de calor (Heatpipes), o Tubos coaxiales.

ANTECEDENTES Esta invención está directamente relacionada con los colectores solares al vacío, los cuales son utilizados para absorber la energía del sol y transferirla a un fluido. Dentro de los colectores solares, la invención se encuentra ligada a aquellos de tubos al vacío para lograr una mayor eficiencia y durabilidad. Los colectores solares al vacío se conocen desde 1909 cuando William L. R. Emmet aplicó para la patente que le fue concedida en 1911 con el número 980,505 con el título "APPARATUS FOR UTILIZING SOLAR HEAT". En esta se describe un colector solar en el cual se disponen tubos de vidrio de doble pared evacuada colocados paralelamente entre si y perpendicularmente a un cabezal múltiple. En el interior de cada uno de los tubos de vidrio de doble pared evacuada se encuentran tubos de flujo directo que conducen el fluido que es calentado por la radiación solar. Esta solución permitió alcanzar temperaturas superiores a las de otros colectores solares, pues eliminaba casi por completo las pérdidas por convección de la energía solar colectada en el fluido.

Posterior a esta patente fueron introducidas diferentes mejoras en colectores solares de vacío.

La patente 4,069,810 VACUUM SOLAR COLECTORS, de 1978; presentaba un colector solar de tubos de vidrio de doble pared evacuados. El tubo de vidrio de esa patente es del tipo sydney de flujo directoy trasmite por efecto de termosifón el fluido hacia un tanque aislado.

La patente 4,474,170 "GLASS HEAT PIPE EVACUATED TUBE SOLAR COLECTOR, presenta el concepto de tubo de calor formado por el tubo de vidrio interior concéntrico, el cual entrega el calor en la parte superior del mismo a un cabezal por donde circula el fluido que trasmite el calor al tanque correspondiente.

La patente 4, 987, 883 EVACUATED SOLAR COLECTOR TUBE de 1991 presenta una solución mediante la cual se reduce el costo de los tubos evacuados al utilizar un tubo de calor metálico interno unido con el tubo de vidrio evacuado mediante un sello flexible que soporta las diferencias en expansión entre el tubo exterior de vidrio y el tubo de calor interior.

La patente 4,270,524 de Junio 2 de 1981 SOLAR COLLECTOR, contempla también la posibilidad de que los diferentes tubos estén interconectados a una línea común, que esté también al vacío para reducir también en esta las pérdidas por convección. La solución presentada por nosotros en esta descripción es superior pues esta constituye un CAV que provee la posibilidad de que cualquier tipo de tubo colector solar pueda conectarse al cabezal al vacío, ya sean tubos de vidrio simples o de doble pared o tubos simples evacuados con sello propio que contengan tubos de flujo directo en forma de U, para los cuales se proveen en el CAV dos colectores múltiples para el lado frío o caliente respectivamente o tubos de calor (heat pipes), para los cuales se provee también en el CAV un intercambiador de calor múltiple que interconecta con los bulbos calientes de los tubos de calor.

Es conocido que los colectores solares planos son más utilizados debido a su bajo costo pero las pérdidas por convección afectan su eficiencia especialmente cuando la temperatura ambiente es baja. Por tal razón se han buscado soluciones que permitan evacuar los colectores solares planos. Una solución conocida es la patente 4,881,521 de noviembre 21 de 1989 "VACUUM SOLAR COLLECTOR", la cual provee elementos de soporte al vidrio plano del colector para que este puede resistir la carga ocasionada por la diferencia de presión. Esta solución sin embargo, eleva considerablemente el costo del colector, por lo cual no tuvo buena aceptación en el mercado.

Es conocido que los tubos al vacío minimizan las pérdidas por convección, sin embargo, con el paso del tiempo se presenta la problemática de pérdida de vacío debido a que fallan los sellos y por consiguiente se disminuye la eficiencia de esos colectores. A través de los años se han hecho modificaciones al diseño de los colectores solares con lo cual se ha mejorado continuamente su desempeño y durabilidad. Sin embargo, un problema persistente, es que el sellado de los tubos siempre tiende a ceder en el transcurso del tiempo, perdiendo de esta forma el vacío y reduciendo su eficiencia.

Se hace referencia a la solicitud de patente NL/a/2006/000046, en donde se presenta un colector solar de recámaras al vacío que consta de un par de cabezales al vacío ubicados a los extremos opuestos de una serie de tubos colectores de calor en paralelo. La principal característica de este dispositivo es que tanto los tubos colectores como los cabezales se encuentran al vacío, lo que elimina las perdidas por convección. La ventaja que presenta la innovación aquí propuesta es que al poseer un solo cabezal, el número de uniones entre los tubos de vidrio y el cabezal se reduce a la mitad, pues cada tubo de vidrio está sujeto al cabezal por un solo extremo a diferencia de la solicitud de patente NL/a/2006/000046 en que cada tubo esta unido en sus dos extremos a un cabezal al vacío y por lo tanto duplica la posibilidad de alguna falla en los sellos. Para asegurar el incremento de la durabilidad se desarrolló la solución presentada por nosotros en este caso, en la cual un solo CAV permite la interconexión de todos los tubos de vacío. En el CAV de la innovación aquí presentada, los tubos de vidrio que se conectan con este son cerrados en un extremo y se unen herméticamente al CAV en el otro extremo. De esta forma se reduce el número de uniones a la mitad y por tanto se reduce grandemente la probabilidad de fallas. Otra de las características de la versión anterior con dos cabezales es que al producirse diferencias en la dilatación térmica entre diferentes tubos, se generan esfuerzos internos entre las diferentes secciones de las recámaras que someten a todos los componentes a esfuerzos adicionales. Estos esfuerzos internos tienden a afectar las uniones de los tubos con las recámaras y favorecen el que se produzcan grietas en las uniones por donde sé pierde el vacío. En ocasiones estos esfuerzos pueden llegar a producir grietas en los propios tubos. Además la versión anterior con dos recamaras se hace difícil sustituir los tubos cuando se dañan pues estos no pueden ser introducidos individualmente en la estructura con dos recámaras, ya que la longitud de los tubos individuales es mayor que la separación que finalmente queda entre las recámaras. Esto debido a que los tubos penetran parcialmente en las paredes interiores de ambas recámaras.

La solución de CAV aquí presentada, también es superior a la patente en trámite US 2010/0224183, Fiat Vacuum Solar Collector Having Chamber-Type Heads, pues la supera en cuanto a que igualmente reduce a la mitad el número de uniones y puede ser utilizado con cualquier tipo de tubo colector solar.

Además de. las patentes mencionadas anteriormente se han desarrollado una gran cantidad de invenciones de mejora de colectores solares al vacío o de tubos colectores al vacío, muchas de las cuales han sido patentadas o se encuentran en trámite de ser patentadas. Estas son tantas que no es posible referirlas todas en este documento. Sin embargo la solución de CAV aquí presentada constituye una mejora esencial que puede ser aplicada a prácticamente cualquier tipo de tubo colector solar para mejorar su desempeño e incrementar su durabilidad.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura No. 1 muestra la vista isométrica superior del cabezal al vacío.

La figura No. 2 muestra la vista isométrica de la parte inferior del cabezal al vacío.

La Figura No. 3 muestra la vista frontal el cabezal al vacío.

La figura No. 4 muestra la vista inferior del cabezal al vacío.

La figura No. 5 muestra una vista isométrica del cabezal al vacío utilizado en un colector solar de vacío mejorado con tubos en U conectados como flujo paralelo.

La Figura No. 6 muestra una vista isométrica del arpa del colector solar al vacío contenida dentro del colector solar de vacío mejorado con tubos en U conectados como flujo paralelo. La Figura No. 7 muestra una vista en corte transversal del cabezal al vacío donde se puede apreciar el tope mecánico.

La Figura No. 8 muestra una vista frontal del ensamble, apreciándose la placa cabezal, el puerto de entrada, el puerto de salida, el múltiple de distribución, los tubos de alta transmitancia en el espectro solar y los tubos conductores.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En base a los dibujos presentados, a continuación se describirá detalladamente la invención explicando sus características críticas y su diseño básico. En términos generales la invención es un Cabezal al Vacío (CAV) que puede proveer vacío simple o redundante a un colector solar de tubos de vacío. El CAV puede ser utilizado de manera independiente (para realizar conexiones entre dos o más colectores solares) o puede estar conectado a al menos un Tubo Colector Solar (TCS), en esta configuración el CAV y el TCS comparten el mismo nivel de vacío. A partir de esta solución general se ha desarrollado también la versión de vacío redundante en la cual cada tubo es de los conocidos como Tubo Colector Solar al Vacío (TCSV) que posee un nivel de vacío independiente al del CAV y debido a que cuando se utiliza esta configuración el sello de vacío queda dentro del CAV se tiene una protección doble contra las pérdidas de vacío del sistema.

Como se puede observar en las figuras presentadas, el CAV puede tener cualquier geometría que le permita distribuir los esfuerzos generados por la diferencia de presiones (atmosférica afuera, vacío dentro del CAV) sin deformarse al grado que se generen fugas de vacío. Preferentemente tiene por lo menos un puerto de entrada al sistema (1), un puerto de salida del sistema (2), un puerto para conexión de bomba de vacío (no mostrado), y al menos un puerto para la inserción de un TCS o TCSV (4). Así mismo preferentemente cuenta con algún dispositivo que permita saber el nivel de vacío dentro del sistema. Todos estos puertos deben cerrarse de manera hermética de modo que no exista una ganancia de presión en el CAV.

Se puede observar que el CAV preferentemente debe tener un tope mecánico (5), que se basa en la diferencia del diámetro entre el tubo colector de alta transmitancia en el espectro solar y el puerto de inserción de los TCS o TCSV para fijar estos mismos, de tal manera que no exista un movimiento relativo hacia el interior debido a la diferencia de presiones, aunque existe la posibilidad de eliminar el tope mecánico si se utilizara algún adhesivo que logre mantener las piezas en su lugar a lo largo del tiempo.

En cuanto a su manufactura y ensamble el CAV debe ser fabricado de un material que soporte el intemperismo y aunque no necesariamente se necesita que el CAV y los TCS/TCSV tengan el mismo coeficiente de dilatación térmica, si se requiere que por medio de algún adhesivo se absorba la diferencia de expansiones y contracciones generadas por los cambios de temperatura entre los materiales para que no existan fugas de vacío.

El CAV es suficientemente flexible como para adaptarse a una gran cantidad de configuraciones de TCS y TCSV, así mismo la conexión hidráulica interior del colector solar puede ser de flujo directo en serie o en paralelo, de tubos de calor (heatpipes) conectados a su respectivo intercambiador de calor, o de tubos coaxiales conectados a su respectivo múltiple de distribución (8), cuya función es la de distribuir el fluido de trabajo entre los tubos conductores a la entrada (1) y a la salida (2) del sistema.

Se puede observar un CAV acoplado con TCS (Vacío simple). Como se puede observar hay varios componentes independientes que conforman el sistema, se puede dividir en la parte exterior, conformada sólo por cabezal (6) y los tubos de alta transmitancia en el espectro solar (10). Por otro lado, la parte interior, mejor conocida como arpa, esta conformada por tubos conductores - placas colectoras (7) y múltiples de distribución (8). En donde la función principal del cascarón es proveer aislamiento térmico y de la intemperie al arpa, y la función principal del arpa es absorber la energía solar y transferirla a un fluido de trabajo.

En la figura 5 la parte exterior está formado por un CAV y Tubos de Alta Transmitancia en el Espectro Solar (TATE). Cada uno de los TATEs está sellado en uno de sus extremos y el otro extremo está abierto. El lado abierto del TATE va insertado en el CAV y se coloca un sello hermético entre el CAV y el TATE de tal manera que el CAV y los TATEs comparten el mismo volumen (ya sea de aire, vacío o algún gas con bajo coeficiente de transferencia térmica).

En la parte interior se encuentra el arpa, la cual en este caso está formada por tubos en "U" conectados a un múltiple (flauta) frío de entrada y a un múltiple (flauta) caliente de salida, lo que produce un flujo en paralelo. Dentro de la parte exterior pudiera encontrarse también una configuración de tubos de calor conectados a su respectivo múltiple, o un arreglo de tubos coaxiales conectados a su respectivo múltiple todo esto independientemente del material del cual estén fabricados. Con cualquiera de estas configuraciones el beneficio del CAV es crítico debido a que el nivel de vacío dentro del cascarón se mantiene y los únicos puertos susceptibles a falla por la diferencia de coeficientes de dilatación térmica son la entrada y salida del sistema, esto debido a que el resto del arpa puede tener un movimiento relativo hacia cualquier dirección sin llegar a forzar los sellos de vacío del cascarón.

Uno de los beneficios de utilizar el CAV en este sistema es que en caso de que ocurra una ganancia de presión debido a una fuga de vacío en alguna unión o a un tubo quebrado, el sistema sigue funcionando pero con una eficiencia reducida y su estructura permite una fácil reparación y restitución de vacío por lo que el sistema vuelve a tener la alta eficiencia que tenía antes de que surgiera la falla.

Se puede observar en la Figura 8 un CAV acoplado con TCSV (Vacío redundante). En esta configuración también se tiene un arpa y un cascarón, y cumplen las funciones descritas anteriormente. Pero a diferencia del arreglo del CAV para vacío simple en este caso cada TCSV tiene vacío de manera independiente.

Los TCSV tienen sellados ambos extremos, usualmente uno de ellos mediante un proceso de fusión del mismo TATE, mientras que en el otro extremo el sello utilizado para garantizar que no existan pérdidas de vacío queda dentro del CAV y existe una unión hermética entre el CAV y un punto del TATE.

Los TCSV se pueden encontrar comercialmente en las configuraciones de tubos en U, tubos de calor, o tubos coaxiales y el CAV puede aceptar cualquier versión lo que cambia es la interconexión hidráulica dentro del CAV.

Una de las grandes ventajas que presenta la configuración de vacío redundante es que si uno de los sellos de vacío de un TCSV llegara a fallar (históricamente los sellos de este tipo de tubos falla por fatiga) no perdería su vacío debido a que el CAV también está al vacío, y por lo tanto no disminuiría su eficiencia.

En caso de que se utilizaran TCSV, que tuvieran los sellos quebrados y se insertarán al CAV este les devolvería el nivel de vacío requerido para su óptimo funcionamiento, volviendo el reciclaje de TCSV una opción atractiva desde el punto de vista técnico y económico.

Claims (17)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, caracterizado porque puede estar unido con uno o varios tubos colectores solares o tubos colectores solares al vacío, a través de su placa colectora para formar un colector solar al vacío, el cual puede ser evacuado después del ensamble para producir un vacío uniforme en todos los tubos colectores solares o crear una situación de vacío redundante con los tubos colectores solares al vacío, con lo que logra una mayor durabilidad y eficiencia de todo el sistema.

2. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado por que los tubos de alta transmitancia en el espectro solar pueden tener en su interior un tubo de flujo directo en U - placa colectora o de tubo de calor (heat pipe)-placa colectora.

3. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado por que los tubos de alta transmitancia en el espectro solar que se conectan con su placa colectora pueden ser de doble tubo de vidrio evacuados.

4. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # .1 , caracterizado por que los tubos de alta transmitancia en el espectro solar que están conectados con este no requieren tener sellos de vacío independiente con lo que se reduce el costo total del colector.

Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado por que los tubos de alta transmitancia en el espectro solar que están conectados con este pueden tener sellos de vacío independientes con lo que se garantiza una alta confiabilidad, pues dichos sellos quedan protegidos de la intemperie y de la presión atmosférica, lo que incrementa grandemente su tiempo esperado de vida.

Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque cada uno de los tubos de alta transmitancia en el espectro solar se encuentra conectado al cabezal al vacío, independientemente uno de otro.

Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado por que el cabezal también se encuentra al vacío, y si se llegara a perder el vacío en alguno de los tubos colectores solares al vacío ya sea por fractura o alguna otra causa, sólo se pierda en el mismo y en el cabezal pero no en el resto del sistema.

Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado por que para los sistemas de vacío redundante, en el caso que falle el sello entre el arreglo del tubo conductor - placa colectora y el tubo de alta transmitancia en el espectro solar no se pierda el vacío en su interior, ya que la parte donde se encuentra el sello se ubica dentro del cabezal al vacío.

Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la la reivindicación # 1, caracterizado por que en el caso de que falle algún sello de vacío que afecte el vacío en el interior del CAV dicho vacío puede ser restaurado después de reparar el sello y recuperar así la funcionalidad total del sistema.

10. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1 , caracterizado porque los múltiples colectores de los tubos de calor se encuentran en el interior del cabezal de vacío, con lo que se reducen o eliminan las pérdidas por convección del calor de los múltiples colectores.

1 1. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque en los casos en que se utilizan tubos de doble vidrio, los tubos de calor de su interior también estarán sometidos al vacío, con lo que se reduce el efecto de corrosión.

12. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque puede utilizar en vez de vacío algún tipo de gas con bajo coeficiente de transferencia térmica o una combinación de vacío en una atmósfera de gas con bajo coeficiente de transferencia térmica.

13. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque en caso de que la parte hidráulica sea de tubos de calor o tubos coaxiales puede colocarse una placa colectora sobre el múltiple y aprovechar la energía solar incidente.

14. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque en caso de que la parte hidráulica sea de tubos en "U" puede colocarse una placa colectora sobre el múltiple "caliente" y aprovechar la energía solar incidente.

15. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, caracterizado porque puede utilizarse para la interconexión de varios colectores solares aún y cuando no se inserte ningún tubo colector solar o tubo colector solar al vacío.

16. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1 , caracterizado porque cada tubo colector solar o tubo colector solar al vacío solo tiene 1 extremo expuesto a la presión atmosférica.

17. Cabezal de vacío mejorado y redundante para colector solar, de conformidad con la reivindicación # 1, en el cual en caso de que algún tubo colector solar o tubo colector solar al vacío resulte dañado, este puede ser reemplazado con prontitud y sin desarmar el sistema. Solo se retira el elemento dañado, se reemplaza y se vuelve a generar el vacío en el sistema o inyectar el gas de bajo coeficiente de transferencia de calor.