MX2012001032A - Configuracion de concentrador solar con manufacturabilidad y eficiencia mejoradas. - Google Patents

Abstract

Un concentrador solar comprende un par de reflectores concéntricos que tienen una geometría toroidal de husillo para enfocar la radiación solar recolectada en un área focal en forma de anillo, como es opuesto al foco de "punto" o de "línea" de las configuraciones de la técnica previa. En una modalidad preferida, cada reflector se forma de una pluralidad de pétalos curvos que están dispuestos en un arreglo trapezoidal contiguo que no requiere accesorio adicional para sostener los pétalos en el lugar adecuado. Tal arreglo reduce el peso, complejidad y costo de la estructura de concentrador solar final.

Description

CONFIGURACIÓN DE CONCENTRADOR SOLAR CON MANUFACTURABILIDAD Y EFICIENCIA MEJORADAS Referencia cruzada a solicitud asociada Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos n° 61/228.440, presentada el 24 de julio de 2009, que se incorpora como referencia a la presente solicitud.

Campo Técnico La presente invención está relacionada con un concentrador solar particularmente apropiado para aplicaciones de bajo coste, de fácil montaje y reparación y, más en particular, con un concentrador solar que comprende un par de reflectores concéntricos que tienen una geometría de toroide autointersectante (sin orificio central) para concentrar la radiación solar captada en un área focal con forma de anillo en lugar del foco "puntual" o "lineal" de las configuraciones de la técnica anterior.

Antecedentes de la Invención La radiación solar que incide sobre la superficie de la Tierra es de una intensidad bastante baja, algo variable en función de la hora del día, la estación y la posición de la Tierra; alrededor de unos 800-1000 vatios de energía térmica por metro cuadrado de superficie. Para que la industria solar pueda llegar a ser comercialmente competitiva en diversos mercados globales, en comparación con los costes de la producción de energía por parte de la industria de los combustibles fósiles (como, por ejemplo, la energía generada a partir del carbón) , los principales retos para la industria solar son explotar la radiación solar con una alta eficiencia y con unos costes considerablemente bajos, y mejorar tanto la facilidad de producción global de las tecnologías solares como la facilidad de montaje y puesta en marcha por parte del sector comercial convencional para diversas aplicaciones.

Existen fundamentalmente cuatro categorías de tecnologías para la explotación de la energía solar. La primera de ellas, que incluye los denominados dispositivos solares pasivos, está constituida por calentadores solares y paneles solares para tejados dotados de tuberías que recorren su parte inferior, y que se calientan simplemente mediante la radiación solar incidente; el calor se transfiere al fluido o al aire que circulan a través de los dispositivos solares pasivos. No obstante, en general, la intensidad de la radiación solar pasiva es demasiado baja para resultar útil de forma directa para la mayor parte de las aplicaciones que requieran calor a altas temperaturas y presiones (como, por ejemplo, instalaciones HVAC, calor para procesos industriales, turbinas, etc.). Otra categoría de tecnología solar está constituida por paneles planos de células fotovoltaicas solares que contienen dispositivos semiconductores. Estos dispositivos convierten directamente la radiación solar incidente en electricidad; la energía eléctrica producida está en función directamente del área del panel de células FV. Los "concentradores" solares se consideran otra categoría, y se diseñan para reflejar la radiación solar incidente desde una superficie grande sobre un área focal más pequeña para concentrar (captar) la radiación solar con el fin de generar grandes cantidades de calor que puedan ser transferidas a un fluido que circula por el área focal (logrando de este modo una temperatura y una presión más altas), apropiados para diversas aplicaciones en las que se requiere calor de una calidad deseada, tales como calor para procesos industriales, calefacción y refrigeración HVAC, desalinización, deshidratación, etc., o para producir vapor para accionar turbinas que generen electricidad. Recientemente se ha explorado una tecnología híbrida, en la que se utilizan colectores solares en combinación con un tipo especial de células FV; la tecnología de concentración solar enfoca un haz de radiación solar de alta intensidad sobre un número reducido de células fotovoltaicas especializadas (denominadas células FV concentradoras) en el área focal de los colectores. De este modo, la combinación de colectores solares de concentración con células F resulta ventajosa frente a los colectores de paneles planos, puesto que utilizan cantidades sustancialmente menores de material semiconductor, al tiempo que resultan más eficientes para la generación de energía eléctrica.

En todo caso, las tecnologías de concentración solar son las de mayor utilidad, tanto si la aplicación requiere calor, electricidad o ambas cosas. En comparación con las tecnologías solares pasivas o las tecnologías de células FV, los concentradores solares proporcionan calor a un bajo coste y con una alta eficiencia.

Un tipo particular de colector concentrador es conocido en la técnica como colector de cilindro parabólico. Este tipo de colector utiliza un cilindro parabólico reflector alargado de sección transversal parabólica para concentrar la radiación del Sol a lo largo de una línea focal que se extiende a través de los puntos focales de los elementos parabólicos que forman el cilindro parabólico. Típicamente, a lo largo de esta línea focal se coloca un conducto a través del cual circula un líquido calorífero. La energía del Sol calentará el líquido mientras éste circula a través del conducto.

De forma alternativa, un concentrador solar puede adoptar la forma de un concentrador parabólico con foco puntual, utilizando una pluralidad de espejos curvados dispuestos para formar un plato parabólico que concentra la radiación solar incidente en un solo punto. Típicamente, se coloca un motor Stirling o una cavidad receptora en el punto focal del plato para captar la energía solar y transformarla en energía térmica (o mecánica) .

Aún otra variante de tecnología de concentradores solares recibe el nombre de "torre central" o "helióstato" , en donde se disponen cientos de reflectores parabólicos de foco puntual individuales en un campo solar y cada reflector dirige su haz hacia el extremo superior de una gran torre central, en donde se encuentra alojado el receptor. La ventaja de esta configuración es que se minimizan la pérdida de calor y el coste de las canalizaciones centralizando la captación del calor procedente de una gran zona de captura del campo. No obstante, los efectos de pérdida por sombras, necesidad de grandes terrenos y otras consideraciones constituyen algunas de las desventajas de las tecnologías de los concentradores de tipo torre central.

Recientemente se ha desarrollado una tecnología de concentradores híbridos denominados Reflectores Lineales de Fresnel Concentrados (CLFR) , en donde se disponen en un campo una combinación de reflectores en forma de cilindro parabólico con un receptor lineal central. Esto es, en lugar de una pequeña superficie receptora sobre la torre, el CLL utiliza un conducto receptor largo que capta los haces focales de un conjunto de reflectores parabólicos.

Un problema de estos y otros tipos de colectores solares de concentración convencionales es que su fabricación e instalación son costosas. Adicionalmente, sus configuraciones son, generalmente, "específicas de la aplicación", en el sentido de que se diseñan para las condiciones geográficas específicas de un lugar determinado (i.e., en función de los movimientos locales del Sol, o requieren terrenos extremadamente planos para una alineación precisa de los espejos, o requieren una gran extensión de terreno en un desierto, etc.). Cada instalación también requiere unas dimensiones especificas (en términos de área, dimensiones, etc.), lo que no permite gran flexibilidad para adaptarlas a una situación especifica de la aplicación. Por otra parte, la óptica del colector solar está constituida habitualmente por reflectores de vidrio que requieren gran cuidado al ser construidos y pulidos, necesitan estructuras de soporte costosas y, por consiguiente, requieren una instalación larga y tediosa.

Por este motivo, todavía existe una necesidad en la técnica de un concentrador solar mejorado que funcione de forma eficiente, y al mismo tiempo sea relativamente sencillo de instalar y mantener, con independencia de cómo se utilice (para producir calor, electricidad o ambas cosas) y de si son necesarios pocos o muchos.

Compendio de la Invención Las necesidades aún pendientes en la técnica se abordan en la presente invención, que está relacionada con un concentrador solar particularmente apropiado para aplicaciones de bajo coste, de fácil montaje y reparación y, más en particular, con un concentrador solar que comprende una pluralidad de reflectores concéntricos que tienen una geometría de toroide autointersectante para concentrar la radiación solar captada en unas áreas focales con forma de anillo, en lugar de los focos "puntuales" o "lineales" de las configuraciones de la técnica anterior. En un modo de realización que se expone más abajo se muestran un par de reflectores. Sin embargo, debe entenderse que el concentrador solar de la presente invención puede utilizar cualquier número de reflectores que tengan la geometría preferida de toroide autointersectante .

De acuerdo con la presente invención, por lo tanto, cada reflector está construido para exhibir una geometría de toroide autointersectante y de ese modo concentrar la radiación solar incidente en un área focal con forma de anillo. A diferencia de las propiedades de concentración en una línea o en un punto focales asociadas a los reflectores de cilindro parabólico y plato de la técnica anterior, el reflector toroidal autointersectante crea un área focal con forma de anillo que concentra una cantidad mayor de la energía recibida en una pequeña región sin requerir la alineación precisa entre el receptor y el concentrador que se asocia a los concentradores de plato ("puntuales") de la técnica anterior .

En un modo de realización preferido de la presente invención, cada reflector está formado por una pluralidad de pétalos curvos situados en una disposición contigua en forma de arco de dovelas que requiere una fijación mínima (por ejemplo, una resina epoxy) para que los pétalos se mantengan en su lugar. Una disposición como esta reduce el peso, la complejidad y el coste de la estructura final del concentrador solar.

En una disposición preferida del modo de realización descrito más arriba, cada pétalo tiene una constitución monocasco, en donde la capa externa del pétalo tiene también la función de proporcionar la rigidez necesaria al mismo y soporta toda la carga aplicada. Cada pétalo puede tener una superficie externa reflectante, o él mismo puede estar formado por un material reflectante dispuesto por toda su superficie exterior. Algunos materiales apropiados para esta superficie reflectante son el aluminio o el vidrio delgado fabricado elásticamente.

El concentrador de la presente invención se puede configurar junto con un sistema de tipo Cassegrain, en donde un reflector secundario dispuesto a lo largo del eje óptico redirige la radiación solar concentrada hacia un receptor situado en otra posición. Alternativamente, en el área focal con forma de anillo se puede disponer un receptor constituido por un sistema térmico solar de concentración (CST) o una célula fotovoltaica de concentración (CPV) .

Aún en otro modo de realización de la presente invención, en el área focal con forma de anillo se puede disponer un filtro dieléctrico, y utilizarlo para dirigir las longitudes de onda asociadas a la producción de energía térmica hacia un receptor basado en el calor, al tiempo que dirige las longitudes de onda asociadas a la producción de energía eléctrica hacia, por ejemplo, una estructura FV.

A lo largo de la siguiente exposición y mediante referencia a los dibujos que la acompañan, resultarán evidentes otros modos de realización y aspectos adicionales de la presente invención.

Breve Descripción de los Dibujos En referencia ahora a los dibujos, en los que los mismos números representan los mismos elementos en varias vistas: La FIG. 1 es una vista en isométrica de un ejemplo de concentrador solar 10 construido de acuerdo con la presente invención; La FIG. 2 es un diagrama de trazado de rayos para el concentrador solar de la FIG. 1 que ilustra la concentración de la radiación solar reflejada; La FIG. 3 ilustra una configuración de un toro estándar, útil para entender la geometría de toroide autointersectante de los reflectores solares inventivos; La FIG. 4 es una vista en alzado de un ejemplo de reflector exterior del concentrador solar inventivo, que ilustra su configuración en forma de arco de dovelas; La FIG. 5 es una vista en alzado de un ejemplo de reflector interior del concentrador solar inventivo, que ilustra su configuración en forma de arco de dovelas; La FIG. 6 es una vista en alzado de la disposición concéntrica de los reflectores exterior e interior, con el reflector interior dispuesto para cubrir la región central del reflector exterior; La FIG. 7 ilustra la disposición de un conjunto de tres pétalos diferentes del reflector exterior y su colocación para crear la configuración de arco de dovelas; La FIG. 8 es una vista en isométrica de un único pétalo de un reflector, que muestra su construcción monocasco preferida; La FIG. 9 es una vista posterior de la estructura de soporte para el concentrador solar de la presente invención; La FIG. 10 es una vista en perfil de un sistema de captación solar de tipo Cassegrain que utiliza el concentrador solar de la presente invención; y La FIG. 11 es una vista en planta del sistema de la FIG. 10.

Descripción Detallada La FIG. 1 es una vista en isométrica de un ejemplo de concentrador solar 10 construido de acuerdo con la presente invención. A diferencia de las disposiciones de concentradores solares de la técnica anterior basadas en la concentración de la radiación solar en un "punto" o en una "linea", la geometría de toroide autointersectante del concentrador inventivo hace que la radiación solar reflejada se dirija a las regiones en forma de anillo del área focal F del concentrador 10. Como se ha mencionado más arriba, al área focal con forma de anillo permite una mayor concentración de energía que el foco "lineal" asociado a los colectores de cilindro parabólico de la técnica anterior, sin requerir las costosas alineaciones asociadas a los focos "puntuales" de la técnica anterior asociados a los colectores de plato parabólico de la técnica anterior.

En particular, se muestra el concentrador solar 10 como constituido por un par de reflectores concéntricos que incluyen un reflector exterior 12 y un reflector interior 14, donde cada uno de los reflectores se ha construido de acuerdo con la geometría de toroide autointersectante . Como se ha mencionado más arriba, la utilización de un par de reflectores se considera únicamente a modo de ejemplo, por lo que para ensamblar un concentrador solar en particular se puede utilizar cualquier número de reflectores que resulte apropiado .

Haciendo referencia de nuevo a la FIG. 1, la energía solar recibida y reflejada por el reflector exterior 12 será concentrada en un anillo R-12 en el área focal F, como se muestra, al tiempo que la energía solar reflejada por el reflector interior 14 se concentra en un anillo R-14 ligeramente menor en la misma área focal F. La FIG. 2 es un diagrama de trazado de rayos que ilustra la concentración de la radiación solar reflejada en los anillos R-12 y R-14, mostrando asimismo una ampliación de los anillos R-12 y R-14 para mayor claridad. Construyendo el reflector exterior 12 y el reflector interior 14 de acuerdo con la curvatura del toroide autointersectante preferida, cada uno de ellos reflejará y concentrará de forma independiente los rayos de luz incidentes sobre una configuración en forma de anillos concéntricos dirigiendo de forma separada los haces reflejados a posiciones diferentes, según las necesidades.

En la FIG. 3 se muestra un toro estándar en forma de "tubo", que se define mediante el siguiente conjunto de ecuaciones : x (u, v) = (R + r eos v) eos u y (u, v) = (R + r eos v) sen u z (U, V) = r sen v, en donde u y v toman valores en el intervalo (0, 2n) , R es la distancia desde el centro del tubo al centro del toro, y r es el radio del tubo. Un toro autointersectante, tal como se utiliza en la presente solicitud para la formación de los reflectores 12 y 14, se obtiene cuando R < r, lo que da lugar a una superficie "autointersectante". Como resultado, la sección transversal en el plano x-z de cada uno de los reflectores 12 y 14 se define del siguiente modo: z = ±[r2 - (x - R)2]1 2 Mediante esta definición de la estructura de cada uno de los reflectores 12 y 14, se puede demostrar que el área focal de cada uno de ellos tiene la forma de un anillo, lo que permite una concentración importante de, en este caso, la radiación solar, en un área relativamente pequeña claramente definida, para conseguir una mejor distribución del calor en comparación con los colectores de la técnica anterior que tienen un foco puntual. Los anillos R-12 y R-14 de las FIG. 1 y 2 ilustran esta mejora en la concentración de la radiación solar como resultado de la configuración de toroide autointersectante de los reflectores 12 y 14. De nuevo, debe entenderse que se puede modificar la geometría específica del área focal para adaptarla a otras necesidades diferentes; esto es, tanto si el concentrador solar 10 forma parte de un sistema CPV, un sistema HVAC, para generación de calor industrial, electricidad, etc. La capacidad de concentrar la radiación solar en un área relativamente pequeña semejante con una mejor distribución del calor mediante un foco anular, y sin necesidad de la costosa óptica de "tolerancia rigurosa" propia de los colectores de la técnica anterior, se considera una ventaja importante de la disposición de la presente invención .

Otro aspecto relevante de la presente invención consiste en que cada unos de los reflectores 12, 14 del concentrador solar 10 comprende una pluralidad de "pétalos" reflectantes independientes, que se mantienen en su posición en una disposición de arco de dovelas de tal modo que la estructura final del reflector es capaz de sustentarse a si misma. No se requiere ninguna sujeción o estructura de soporte adicional; esto se considera un avance importante respecto a los diseños de los concentradores de la técnica anterior que requieren un amplio mecanismo de soporte que contribuye a aumentar el peso y el coste (asi como la complejidad de la construcción) del concentrador en su conjunto. Ciertamente, eliminando la necesidad de una estructura de soporte, la estructura final del concentrador solar resulta considerablemente más ligera, más fácil de montar en su ubicación, y más fácil de manejar que los colectores solares convencionales.

Las FIG. 4-6 ilustran particularmente la construcción en forma de arco de dovelas del concentrador solar 10, en donde la FIG. 4 es una vista en isométrica del reflector exterior 12, la FIG. 5 es una vista en isométrica del reflector interior 14, y la FIG. 6 muestra la disposición concéntrica del reflector interior 14 colocado para ser superpuesto al reflector exterior 12. Como se ha señalado más arriba, cara uno de los reflectores concentrará de forma independiente la radiación incidente sobre un área focal con forma de anillo (ver las FIG. 1 y 6) . La FIG. 6, en particular, ilustra la disposición concéntrica del concentrador solar 10, con el reflector interior 14 fijado para cubrir el área central 13 del reflector exterior 12 (el área central 13 se indica mediante la linea de puntos en la FIG. 4) .

La FIG. 4 ilustra claramente el ejemplo de configuración en forma de arco de dovelas del reflector exterior 12, en donde se muestra que el reflector exterior 12 comprende una pluralidad de pétalos reflectantes independientes 16. Se hace referencia específicamente y se muestra un conjunto de pétalos reflectantes 16-1, 16-2 y 16-3 del reflector 12 colocados de forma contigua, de modo que la totalidad de los pétalos 16 se encuentran colocados en una disposición circular en la configuración autoportante de arco de dovelas. El ejemplo de modo de realización del reflector exterior 12 que se muestra en la FIG. 4 está constituido por dieciséis pétalos 16 independientes que se pueden fijar conjuntamente, como se expone más abajo, para formar el reflector exterior 12. En un diseño experimental, se puso de manifiesto que un reflector con esta geometría exhibía una abertura libre de 28,26 m2.

En la FIG. 5 se ilustra una configuración de arco de dovelas similar del reflector interior 14, en la que se muestra el reflector 14 formado por una pluralidad de pétalos reflectantes 18. En la FIG. 5 se ilustra específicamente un conjunto de pétalos reflectantes 18-1, 18-2 y 18-3 del reflector interior 14. Como en el reflector exterior 12, se utiliza un conjunto de dieciséis pétalos individuales 18 para formar este modo de realización particular, fijados entre sí a lo largo de sus lados para conformar la disposición final tal como se ilustra. Se ha comprobado que un reflector con esta geometría presenta una abertura libre de 14,13 m2.

Como se ha mencionado más arriba, la configuración de arco de dovelas de cada reflector en el concentrador solar de la presente invención permite que los pétalos adyacentes se sujeten mutuamente en su posición sin necesidad de ninguna fijación adicional. La FIG. 7 muestra el conjunto de los tres pétalos 16-1, 16-2 y 16-3 tal como se colocaron para el reflector exterior 12 uno junto a otro conforme a un radio de curvatura RC, estando el radio RC determinado por la curvatura de los pétalos 16 individuales. Un ejemplo de modo de realización del reflector exterior 12 puede mostrar una curvatura del orden de 10,725, mientras el reflector interior 14 puede tener una curvatura ligeramente reducida, del orden de 10,0. Asimismo, se presume que existe una única relación entre las curvaturas de los reflectores exterior e interior 12 y 14, lo que permite realizar cambios en el tamaño y en la forma del concentrador solar 10, en función de las necesidades de diversas aplicaciones, al tiempo que se mantiene la eficiencia óptima de concentración de luz (y se dirigen las longitudes de onda deseadas hacia un receptor - que puede comprender una serie de células FV) . Como se ha señalado más arriba, la posibilidad de construir el concentrador solar 10 sin otra estructura de soporte reduce de forma significativa el coste, el peso y la complejidad del sistema concentrador solar una vez terminado.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, cada pétalo reflectante 16 y 18 responde a una construcción de tipo monocasco, en donde una superficie reflectante 20 (i.e., la capa superficial del pétalo) soporta la mayor parte de la tensiones de torsión y flexión. La construcción de tipo monocasco, que se ha utilizado anteriormente en la fabricación de automóviles y aeronaves, reduce el peso y el coste, al tiempo que mantiene la solidez mediante la inclusión de la capa superficial como miembro estructural. De acuerdo con la presente invención, la construcción de tipo monocasco mejora la capacidad del concentrador para soportar las tensiones inducidas por las condiciones ambientales (presión del viento) .

La FIG. 8 es una vista en isométrica de un ejemplo de pétalo 16 de construcción monocasco de un reflector exterior 12, en la que los elementos 22 indican algunos ejemplos de posiciones en las que se puede aplicar una resina epoxy (u otro material de fijación apropiado, incluyendo tornillos o elementos mecánicos) para permitir que la pluralidad de pétalos 16 queden unidos para formar el reflector exterior 12 sin utilizar ningún otro soporte mecánico (i.e., la configuración de "arco de dovelas" expuesta más arriba en relación con las FIG. 4-7) . Fijando la capa superficial 20 reflectante a una estructura 25 de soporte que actúa como base, las tensiones a las que se ve sometido un pétalo 16 individual se distribuyen uniformemente sobre toda la capa superficial 20, lo que permite que la propia capa sea la parte del pétalo que soporta la carga - el tipo de construcción monocasco .

La estructura 25 de soporte de cada pétalo 16 ó 18 está formada, preferiblemente, por aluminio (u otro material ligero apropiado) y, como se muestra en la FIG. 8, está constituida por una abrazadera superior 24, un par de paredes laterales opuestas 26 y 28, y una abrazadera inferior 30. La FIG. 9, -una vista posterior del concentrador solar 10 - ilustra claramente la estructura 25 de soporte de cada pétalo para las pluralidades de pétalos individuales 16 y 18.

De acuerdo con la presente invención, la capa superficial 20 del espejo está formada por un material reflectante, preferiblemente un material que sea ligero y relativamente fácil de reemplazar cuando se dañe o envejezca. Las materiales que se pueden elegir para la capa 20 incluyen, pero no se limitan a, un aluminio pasivado (o una capa de aluminio pasivado dispuesta sobre la superficie de otro material) , un material dieléctrico altamente reflectante, un polímero, un vidrio ultraplano (por ejemplo, de 50 mieras o menos), o similares. Para proporcionar el grado deseado de reflectancia a la capa superficial del concentrador solar de la presente invención se pueden utilizar diversas aleaciones y/o acabados para las superficies.

Una ventaja de la estructura dividida en secciones de cada uno de los reflectores que forman el concentrador solar inventivo consiste en que si se daña de algún modo la capa superficial 20 de un solo pétalo, simplemente se puede fijar a la superficie de dicho pétalo una nueva hoja de material reflectante fabricada de forma apropiada. No es necesario desmontar todo el concentrador o retirar todo el pétalo para resolver el problema, como hubiera sido necesario hacer en las disposiciones de la técnica anterior.

Por otro lado, la utilización de aluminio para la construcción del monocasco ligero de la capa superficial 20 reflectante proporciona una ventaja importante frente a los espejos de vidrio utilizados en los concentradores convencionales. En los concentradores convencionales que utilizan espejos de vidrio (que comprenden un recubrimiento para la superficie reflectante, como por ejemplo nitrato de plata, y una cubierta de vidrio para proteger la superficie reflectante), el haz de luz experimenta pérdidas al atravesar el vidrio protector como haz incidente y, a continuación, al atravesarlo de nuevo como haz reflejado. Al no requerir una cubierta de vidrio, la presente invención elimina dichas pérdidas de luz y ofrece una mayor eficiencia.

De acuerdo con la forma de operar del concentrador solar inventivo, los anillos concéntricos de radiación solar concentrada que se forman en las áreas focales R-12 y R-14 (del orden de, por ejemplo, 40 o más soles) son utilizados posteriormente por un receptor apropiado (como por ejemplo un dispositivo fotovoltaico (FV) y/o un dispositivo térmico) para transformar la radiación solar en electricidad y/o calor. Los aspectos concretos del diseño del receptor se determinarán para que se ajuste lo más posible a la distribución deseada del flujo de energía sobre el área focal (i.e., los "anillos") . Como se ha mencionado más arriba, para la transferencia del calor al receptor el haz en forma de anillo ofrece un área superficial mayor que el haz en "forma puntual". Se considera que la capacidad para configurar de forma adaptativa la sensibilidad del receptor para ajustarse a la distribución del flujo de energía mejorará aún más la eficiencia y los costes del concentrador solar inventivo respecto a aquellos disponibles en la técnica anterior.

Un sistema en particular para captar y utilizar la radiación solar concentrada requiere la utilización de una superficie reflectante adicional para redirigir la radiación concentrada (o al menos una parte de la misma) hacia un receptor asociado. Una ventaja de utilizar una segunda reflexión es que puede resultar más ventajoso situar el receptor en una posición (segunda región focal) diferente del área focal inicial designada por R-12 y R-14 (las primeras regiones focales) . Esto resulta útil porque, típicamente, los receptores térmicos o de tipo generador son bastante pesados y, por lo tanto, se considera más práctico situar este tipo de receptores en la base. La utilización de una segunda región focal también permite que el propio conjunto del concentrador pueda ser retirado o reparado de forma rápida y sencilla sin tener que desmontar antes un componente del receptor.

Se pueden utilizar varios tipos diferentes de geometrías y superficies (tales como vidrio, aluminio, dieléctricos) para los espejos secundarios. Un aspecto adicional importante de la presente invención consiste en la utilización de un espejo secundario constituido por una superficie reflectante Cassegrain. Un espejo Cassegrain puede fabricarse para que se refleje sobre el receptor, típicamente situado en la base del sistema concentrador, una configuración del haz "específica para una aplicación" .

La FIG. 10 es una vista en perfil de un sistema colector solar basado en el concentrador solar 10, en donde se muestra la utilización de una superficie reflectante adicional a lo largo del eje óptico, en donde los rayos incidentes se concentrarán según sus patrones en forma de anillo. En particular, se coloca en dicha posición un reflector 40 secundario que se utiliza para redirigir la radiación concentrada hacia un receptor que puede encontrase situado en una segunda región focal (por ejemplo, en el área central 14 del reflector interior 14) .

La FIG. 11 es una vista en planta de la disposición de la FIG. 10. Esta vista muestra claramente las curvaturas y la relación entre el reflector secundario 40 y el par de reflectores 12 y 14 con forma de toroide autointersectante que forman el concentrador solar 10. El reflector secundario 40 se muestra redirigiendo la radiación incidente, enfocada y concentrada hacia un receptor 15 situado (por ejemplo) en el centro del reflector interior 14.

Además de permitir proporcionar al haz una forma "especifica de una aplicación", esta disposición de tipo Cassegrain de la presente invención resulta particularmente apropiada en aquellas situaciones en las que se desea extraer múltiples tipos de energía de la radiación solar, como se ha descrito más arriba. Ciertamente, de acuerdo con un aspecto de la presente invención es posible obtener producción térmica y eléctrica dirigiendo las longitudes de onda (y frecuencias) asociadas a la producción de energía eléctrica hacia una disposición de células FV acoplada al reflector secundario, y dirigiendo la energía de las longitudes de onda restantes hacia un motor Stirling u otro tipo de receptor térmico. Es decir, colocando en el área focal F un tipo específico de filtro notch de longitudes de onda (frecuencias) , se pueden dirigir los diferentes grupos de longitudes de onda hacia los receptores apropiados.

La FIG. 11 muestra un reflector secundario 40 preparado para incorporar un filtro dieléctrico 60 de "tipo notch" situado sobre la superficie del mismo. El filtro dieléctrico 60 se ha fabricado para dejar pasar únicamente las longitudes de onda asociadas a la producción de energía eléctrica, reflejando todas las demás longitudes de onda hacia el receptor 15 (que se ha configurado en consecuencia como dispositivo térmico) . Las longitudes de onda asociadas a la producción de energía eléctrica (por ejemplo, de 800-1200 nm) pasarán a través del filtro dieléctrico 16 e incidirán sobre una disposición 17 de células FV situada detrás del reflector secundario 40. De este modo, cubriendo la superficie de fondo del reflector 40 con las células FV 17 se pueden utilizar eficazmente las longitudes de onda que pasan a través del filtro 40 para generar energía eléctrica.

Como resultado de la incorporación de ambos tipos de receptores al sistema, sólo será necesario prescindir de muy poca cantidad de la energía solar restante. Se pueden disponer y diseñar diversos tipos de receptores para su utilización en asociación con este y otros modos de realización de la presente invención.

Aunque la invención se ha descrito en relación con los modos de realización preferidos, aquellos experimentados en la técnica deberán entender que la invención no se limita a los mismos, y que es posible introducir cambios y modificaciones en la misma sin apartarse del espíritu y del alcance de la presente invención tal como se definen mediante las siguientes reivindicaciones .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un concentrador solar que comprende una pluralidad de reflectores solares concéntricos que comprende al menos un reflector solar interior que cubre una región central de al menos un reflector solar exterior, presentando cada reflector solar una geometría de toroide autointersectante para dirigir la radiación solar reflejada hacia un área focal con forma de anillo, de modo que la pluralidad de reflectores solares concéntricos formen una pluralidad de áreas focales con forma de anillo.

2. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 1 en donde cada reflector comprende una pluralidad de pétalos independientes colocados en una disposición circular.

3. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 2 en donde cada pétalo está formado de acuerdo con una geometría tal que, al ensamblarlos, la pluralidad de pétalos muestra una disposición en forma de arco de dovelas.

4. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 2 en donde cada pétalo obedece a una construcción monocasco que comprende una estructura de soporte y una capa superficial reflectante unida a la misma, estando formada dicha capa superficial reflectante para soportar la carga de las tensiones de torsión y flexión.

5. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 4 en donde la capa superficial reflectante de cada pétalo es desmontable y reemplazable.

6. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 4 en donde la estructura de soporte comprende un material de aluminio.

7. Un concentrador solar como el definido en la reivindicación 4 en donde la capa superficial reflectante comprende un material escogido del grupo constituido por: aluminio pasivado, una capa de aluminio pasivado dispuesta sobre una superficie de otro material, un material dieléctrico altamente reflectante, un polímero o una lámina de vidrio ultrafina .

8. Un sistema de captación de energía solar que comprende un concentrador solar que incluye una pluralidad de reflectores solares concéntricos formada por al menos un reflector solar interior que cubre una región central de al menos un reflector solar exterior, mostrando cada uno de los reflectores solares una geometría de toroide autointersectante para dirigir la radiación solar reflejada hacia un área focal concentrada con forma de anillo, de modo que la pluralidad de reflectores solares concéntricos formen una pluralidad de áreas focales concentradas con forma de anillo; y un receptor para convertir la radiación solar concentrada en el área focal con forma de anillo en energía eléctrica, en energía térmica o en ambas.

9. Un sistema de captación de energía solar como el definido en la reivindicación 8 en donde el receptor se encuentra situado en un área focal principal.

10. Un sistema de captación de energía solar como el definido en la reivindicación 8 en donde el receptor se encuentra situado en un área focal secundaria.

11. Un sistema de captación de energía solar como el definido en la reivindicación 8 en donde el sistema comprende, además, un reflector secundario situado en el área focal principal de la pluralidad de reflectores solares concéntricos, reflector secundario cuya misión es redirigir al menos una parte de la radiación solar concentrada.

12. Un sistema de captación de energía solar como el definido en la reivindicación 11 en donde el reflector secundario comprende un reflector Cassegrain.

13. Un sistema de captación de energía solar como el definido en la reivindicación 9 en donde el reflector secundario incluye un dispositivo de discriminación de longitudes de onda para dirigir las longitudes de onda de la radiación solar concentrada asociadas a la producción de energía eléctrica hacia una disposición de células fotovoltaicas , y dirigir las longitudes de onda restantes hacia un receptor de energía térmica.