WO2007034008A1 - Brazo de sustentación. soporte de colector solar cilindro- parabólico y procedimiento para fabricar el brazo - Google Patents

Brazo de sustentación. soporte de colector solar cilindro- parabólico y procedimiento para fabricar el brazo Download PDF

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support
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ribs
support means
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Jorge Vazquez Ingelmo
Miguel Domingo Osle
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Sener, Ingenieria Y Sistemas, S.A.
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    • Y10T29/49623—Static structure, e.g., a building component

Definitions

  • the invention relates to a component and a method of manufacturing said component used in solar thermal plants, in which a fluid (air, water vapor, oil or salts) is heated by optical concentration.
  • a fluid air, water vapor, oil or salts
  • This fluid moves a turbine, or in turn heats another fluid that is responsible for carrying out this mission.
  • the collectors to be described can also be used in combination with photovoltaic panels.
  • the solar plants of parabolic trough collectors are the solar plants of parabolic trough collectors.
  • the thermal fluid crosses a straight pipe located in the very focus of an extruded parabola.
  • this parabola whose longitudinal axis can be oriented in a north-south or east-west direction, is capable of rotating in a single axis to optimize the incident radiation in the area of the collector opening.
  • collectors of this type are usually in the order of 100-150 meters in last generation collectors. These collectors, which move by means of a hydraulic mechanism, are in turn composed of several segments whose length is around 12 meters.
  • the arms must comply with a series of characteristics:
  • the collector field that is to say, the set of all the collectors that collect the solar radiation to heat the oil is a fundamental piece.
  • the collectors on which the mirrors are supported are made of metal structure, usually galvanized steel, and must meet the following requirements:
  • - Collectors made based on what could be called "spatial structure". In these collectors, the support structure forms a continuum that extends throughout the rear part of the parabola. In this type of structures there is no distinction between central body and arms, all forming a monobloc set.
  • - Collectors formed by a central body and arms that support the mirrors. In this type of collector the structure can be separated into two parts. On the one hand, the central body, which supports the bending and torsion loads fundamentally. This central body can be made of welded tube or by a network of bars. To this central body, arms are tied, which are responsible for supporting the parabolic mirrors.
  • the invention relates to these arms to the central body and to the method of manufacturing said arms.
  • a first aspect of the invention relates to a cylinder-parabolic collector support arm configured to be coupled to a central body of the collector as a bracket, in a direction substantially perpendicular to a focal line of the collector, said arm having a shape wedge it has: a first side provided with support means to support at least one mirror; a second side; a third side provided with support means for the arm to be supported by the central body; said arm being characterized in that it comprises: at least one stamped sheet formed to obtain a resistant structure to provide rigidity and bearing capacity by means of a plurality of ribs forming a lattice having a plurality of laminar portions between said ribs.
  • the sheet is galvanized.
  • the sheet can be galvanized.
  • the sheet can have a thickness between 1-2.5mm.
  • the thickness of the sheet can be comprised between 1.2-2mm.
  • the support means of a mirror can be separated a distance a, and: the first side can have a length comprised between 2.1-3.2a; the second side may have a length between 2.3-3.4a; the third side may have a length between 0.8-1, 2a;
  • the extreme support means can be at a distance between 0-
  • the adjacent support means Two mirrors can be at a distance between 0.4-0.6a.
  • the support means of the arm of the invention can comprise four mirror seats.
  • the support means can comprise two fastenings to the central body configured to allow the arm of the central body to be disassembled, said fasteners being able to be located in: a first vertex where the first side and the third concur side; a second vertex where the second side and the third side concur.
  • the arm of the invention can also comprise at least one recess in the laminar portion for lightening.
  • the first side can be curved-concave to have a shape adapted to the semi-parabolic shape of the at least one mirror.
  • the second side of the arm can be curved-convex to achieve an optimal strength / weight ratio.
  • the third side of the arm can be curved-concave, presenting a sharp concavity for lightening.
  • the plurality of ribs can form a lattice having a framework selected from triangular, trapezoidal and combinations thereof.
  • a second aspect of the invention refers to a parabolic trough collector support that can comprise at least one arm as described above and a central body in the form of a tube formed from a flat plate to: provide torsional stiffness; minimize the number of fixings to the arm; facilitate the assembly / disassembly of the arm.
  • a third aspect of the invention relates to a process for manufacturing an arm according to the one described above, said process comprising: a) cutting a development of an arm in a flat sheet to obtain an initial shape; b) stamping the initial shape to form a resistant structure to provide rigidity and bearing capacity by means of a plurality of ribs forming a lattice having a plurality of laminar portions between said ribs to obtain a final shape.
  • the procedure may also include: c) punching the final shape to locate the support means. Additionally, the procedure can also comprise: d) punching the final shape to locate the support means.
  • the manufacturing process of the arms of the invention has the following advantages: -
  • the number of operations necessary to reach the final product starting from the raw material is not high, said operations being also highly automated, which translates into a lower cost .
  • Figure 1 is a diagram showing a parabolic trough collector.
  • Figure 2 is a side view showing a parabolic trough collector according to the invention.
  • Figure 3 is a view of an arm of the invention where the arm geometry is indicated.
  • Figures 4A, 4B and 4C show three alternative designs of an arm according to the invention.
  • Figure 5 is a perspective view of a portion of a manifold showing a plurality of arms supporting a plurality of mirrors, said arms being connected to a central body.
  • the arms that are coupled to the central body 1 of the collector as a bracket, in a direction substantially perpendicular to the focal line 2 of said collector have a wedge shape having a first side 10 that has the support means 11 to support the mirrors 3, a second side 20 and a third side 30 which has the support means 31 so that the arm is supported by the central body 1.
  • the arm is formed from at least one plate stamped shaped to obtain a resistant structure to provide rigidity and bearing capacity by means of a plurality of ribs 42 forming a lattice having a plurality of laminar portions 41 between said ribs 42. These laminar portions can be practiced emptied 43 to lighten the weight of the arm .
  • the invention also relates to the manufacture of parts from stamped sheet. In this process, it starts from a flat sheet of thickness between 1 mm and 2 mm. This sheet is subjected to the action of successive dies or dies that are being shaped to ensure that the final piece has the required consistency.
  • the definitive housings or support means 11 for placing the mirrors 3 can be made on the stamped part during the manufacturing process. This allows to achieve in the positioning of these housings or support means 11 the precision required for the definitive mooring of the mirrors 3.
  • the manifold design with stamped arms is optimal in terms of performance and cost if as a central body 1 a tube formed from welded sheet is used. For the arms you can choose sheet thicknesses between 1.2 mm and 2 mm depending on the wind loads that the particular collector will suffer, due to its position within the field.

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Abstract

Un brazo de sustentación de colector cilindro-parabólico configurado para ser acoplado a un cuerpo central (1) del colector a modo de ménsula, en una dirección sustancialmente perpendicular a una línea focal (2) del colector, teniendo dicho brazo una forma de cuña que tiene: un primer lado (10) provisto de dispositivos de apoyo (11) para soportar al menos un espejo (3); un segundo lado (20); un tercer lado (30) provisto de dispositivos de soporte (31 ) para que el brazo sea soportado por el cuerpo central (1). El brazo está formado por al menos una chapa estampada conformada para obtener una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras (42) que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares (41) entre dichas nervaduras.

Description

BRAZO DE SUSTENTACIÓN. SOPORTE DE COLECTOR SOLAR CILINDRO- PARABÓLICO Y PROCEDIMIENTO PARA FABRICAR EL BRAZO
Campo de Ia invención
La invención se refiere a un componente y a un procedimiento de fabricación de dicho componente utilizado en plantas solares térmicas, en las que mediante concentración óptica se calienta un fluido (aire, vapor de agua, aceite o sales). Este fluido mueve una turbina, o bien a su vez calienta otro fluido que es el encargado de desempeñar esta misión. No obstante, los colectores que van a describirse también pueden ser empleados en combinación con paneles fotovoltaicos.
Antecedentes de Ia invención
Dentro de los distintos tipos de plantas solares térmicas se encuentran las plantas solares de colectores cilindro-parabólicos. En este tipo de plantas el fluido térmico atraviesa una tubería recta situada en el propio foco de una parábola extruida. A su vez, esta parábola, cuyo eje longitudinal puede estar orientado en dirección norte- sur o este-oeste, es capaz de girar en un solo eje para optimizar Ia radiación incidente en el área de apertura del colector.
Normalmente las dimensiones de un colector de este tipo suelen estar en el orden de los 100-150 metros en colectores de última generación. Estos colectores, que se mueven mediante un mecanismo hidráulico, están compuestos a su vez de varios segmentos cuya longitud ronda los 12 metros.
En el estado de Ia técnica, pueden distinguirse varios métodos para Ia fabricación de los brazos: 1. Brazos fabricados a base de tubos soldados: Hasta el momento, los brazos en los que se soportan los espejos se han venido fabricando a partir de tubos soldados entre sí, formando una pequeña celosía. Sin embargo, este procedimiento de fabricación, que proporciona al final una estructura ligera y resistente, plantea dos pegas fundamentales:
- La mano de obra asociada al corte y soldadura de los tubos encarece considerablemente el producto final.
- La precisión obtenida finalmente en los puntos de apoyo de los espejos no es suficiente para apoyar los espejos directamente. Por ello es necesario utilizar unas piezas metálicas intermedias sujetas al brazo mediante deslizaderas que son las que finalmente se ajustan a Ia posición deseada con Ia ayuda de un útil. Esta operación tiene también su repercusión en el coste final de Ia pieza. 2. Otras alternativas:
Para Ia fabricación de brazos para soportar los espejos de los colectores cilindro-parabólicos hay otras alternativas entre las que se pueden destacar:
- La utilización de paneles de fibra, paneles sandwich o similar para generar estructuras muy ligeras y suficientemente resistentes.
- Empleo de estructuras continuas, que evite Ia utilización de brazos.
Asimismo, los brazos han de cumplir con una serie de características:
1. Características geométricas:
En función de las cargas para las que esté dimensionado el colector, Ia posición de éste dentro del campo y las medidas de Ia caja central y de Ia parábola primitiva que forman los espejos, existen diferentes disposiciones de las barras para formar el brazo.
2. Características físicas:
Entre las más importantes se pueden destacar: - Peso de los brazos: Entre 10-14 kg/pieza.
- Tratamiento superficial: Galvanizado en caliente.
- Tipos de perfiles usados: normalmente perfil tubular, de pared delgada (espesor 1-2 mm).
En este tipo de centrales el campo colector, es decir, el conjunto de todos los colectores que recogen Ia radiación solar para calentar el aceite es una pieza fundamental. Los colectores en los que se soportan los espejos están hechos a base de estructura metálica, normalmente acero galvanizado, y deben cumplir los siguientes requisitos:
- Por un lado, deben proporcionar precisión suficiente para posicionar los espejos de tal forma que concentren toda Ia radiación en el foco geométrico de Ia parábola teórica.
- Por otro lado, y dadas las enormes dimensiones que suelen tener estas centrales, Ia estructura metálica debe ser barata, sencilla de fabricar y duradera.
A Io largo de Ia historia de estas plantas, se han desarrollado diferentes tipos de estructuras capaces de satisfacer, en mayor o menor medida, estos requisitos
Se puede distinguir fundamentalmente, entre dos tipos de estructura soporte.
- Colectores hechos a base de Io que podría denominarse "estructura espacial". En estos colectores, Ia estructura soporte forma un continuo que se extiende por toda Ia parte trasera de Ia parábola. En este tipo de estructuras no hay distinción entre cuerpo central y brazos, formando toda ella un conjunto monobloque. - Colectores formados por un cuerpo central y unos brazos que soportan los espejos. En este tipo de colectores Ia estructura se puede separar en dos partes. Por un lado, el cuerpo central, que soporta las cargas de flexión y torsión fundamentalmente. Este cuerpo central, puede estar hecho a base de tubo soldado o bien mediante un entramado de barras. A este cuerpo central, se atan unos brazos, que son los encargados de soportar los espejos parabólicos.
La invención se refiere a estos brazos al cuerpo central y al método de fabricación de dichos brazos.
Descripción de Ia invención
Un primer aspecto de Ia invención se refiere a un brazo de sustentación de colector cilindro-parabólico configurado para ser acoplado a un cuerpo central del colector a modo de ménsula, en una dirección sustancialmente perpendicular a una línea focal del colector, teniendo dicho brazo una forma de cuña que tiene: un primer lado provisto de medios de apoyo para soportar al menos un espejo; un segundo lado; un tercer lado provisto de medios de soporte para que el brazo sea soportado por el cuerpo central; estando dicho brazo caracterizado porque comprende: al menos una chapa estampada conformada para obtener una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares entre dichas nervaduras.
Ia chapa es galvanizada. En el brazo de Ia invención, Ia chapa puede ser galvanizada. Asimismo, Ia chapa puede tener un espesor comprendido entre 1-2,5mm. Preferiblemente, el espesor de Ia chapa puede estar comprendido entre 1 ,2-2mm.
En el brazo de Ia invención, los medios de apoyo de un espejo pueden estar separados una distancia a, y: el primer lado puede tener una longitud comprendida entre 2,1 -3,2a; el segundo lado puede tener una longitud comprendida entre 2,3-3,4a; el tercer lado puede tener una longitud comprendida entre 0,8-1 ,2a; los medios de apoyo extremos puede estar a una distancia comprendida entre 0-
0,6a de los extremos del primer lado. Adicionalmente, en el brazo de Ia invención, los medios de apoyo adyacentes de dos espejos pueden estar a una distancia comprendida entre 0,4-0,6a.
Los medios de apoyo del brazo de Ia invención pueden comprender cuatro asientos de espejo.
Por otro lado, en el brazo de Ia invención, los medios de soporte pueden comprender dos fijaciones al cuerpo central configuradas para permitir desmontar el brazo del cuerpo central, pudiendo estar situadas dichas fijaciones en: un primer vértice donde concurren el primer lado y el tercer lado; un segundo vértice donde concurren el segundo lado y el tercer lado.
Opcionalmente, el brazo de Ia invención puede además comprender al menos un vaciado en Ia porción laminar para aligeramiento.
Asimismo, en el brazo de Ia invención el primer lado puede ser curvo-cóncavo para tener una forma adaptada a Ia forma semiparabólica del al menos un espejo.
Igualmente, el segundo lado del brazo puede ser curvo-convexo para alcanzar una relación resistencia/peso óptima. También el tercer lado del brazo puede ser curvo-cóncavo, presentando una acusada concavidad para aligeramiento.
En el brazo de Ia invención, Ia pluralidad de nervaduras puede formar una celosía que tiene un entramado seleccionado entre triangular, trapezoidal y combinaciones de los mismos. Un segundo aspecto de Ia invención se refiere a un soporte de colector cilindro- parabólico que puede comprender al menos un brazo como el descrito más arriba y un cuerpo central en forma de tubo conformado a partir de una chapa plana para: aportar rigidez torsional; minimizar el número de fijaciones al brazo; facilitar el montaje/desmontaje del brazo.
Un tercer aspecto de Ia invención se refiere a un procedimiento para fabricar un brazo conforme al descrito más arriba, comprendiendo dicho proceso: a) cortar un desarrollo de un brazo en una chapa plana para obtener una forma inicial; b) estampar Ia forma inicial para conformar una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares entre dichas nervaduras para obtener una forma final.
El procedimiento puede además comprender: c) punzonar Ia forma final para ubicar los medios de apoyo. Adicionalmente, el procedimiento también puede comprender: d) punzonar Ia forma final para ubicar los medios de soporte.
El procedimiento de fabricación de los brazos de Ia invención presenta las siguientes ventajas: - El número de operaciones necesarias para llegar al producto final partiendo de la materia prima no es elevado, siendo además dichas operaciones muy automatizables, Io que se traduce en un menor coste.
- La producción de este tipo de piezas en serie redunda en una mayor calidad y una mayor repetitividad de las características del producto final, reduciendo el número de rechazos.
- Al fabricarse Ia pieza con los puntos de apoyo conforme a Ia precisión requerida, se elimina Ia necesidad de ajustar soportes, reduciendo el coste de montaje.
Breve descripción de los dibujos A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor Ia invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es un esquema que muestra un colector cilindro-parabólico. La Figura 2 es una vista lateral que muestra un colector cilindro-parabólico de acuerdo con Ia invención.
La Figura 3 es una vista de un brazo de Ia invención donde se indica Ia geometría del brazo.
Las Figuras 4A, 4B y 4C muestran tres diseños alternativos de un brazo de acuerdo con Ia invención.
La Figura 5 es una vista en perspectiva de una porción de un colector donde se muestra una pluralidad de brazos que soportan una pluralidad de espejos, estando dichos brazos conectados a un cuerpo central.
Descripción de una realización preferida de Ia invención
En una planta solar comercial pueden ser necesarios más de 200.000 brazos. Esta enorme cantidad de unidades necesarias, obliga a que el proceso mediante el cual se fabrican estos elementos sea extremadamente sencillo, para abaratar costes sin perder Ia capacidad de estos elementos para absorber cargas y para proporcionar Ia adecuada rigidez y precisión. Por ello, los brazos que se acoplan al cuerpo central 1 del colector a modo de ménsula, en una dirección sustancialmente perpendicular a Ia línea focal 2 de dicho colector, tienen una forma de cuña que tiene un primer lado 10 que tiene los medios de apoyo 11 para soportar los espejos 3, un segundo lado 20 y un tercer lado 30 que tiene los medios de soporte 31 para que el brazo sea soportado por el cuerpo central 1. En Ia invención, el brazo está formado a partir de al menos una chapa estampada conformada para obtener una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras 42 que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares 41 entre dichas nervaduras 42. Estas porciones laminares pueden tener practicados vaciados 43 para aligerar el peso del brazo.
La invención también se refiere a Ia fabricación de piezas a partir de chapa estampada. En este proceso, se parte de una chapa plana de espesor entre 1 mm y 2 mm. A esta chapa se Ie somete a Ia acción de sucesivos troqueles o matrices que Ie van dando forma para conseguir que Ia pieza final tenga Ia consistencia requerida. Los alojamientos o medios de apoyo 11 definitivos para colocar los espejos 3 pueden realizarse sobre Ia pieza estampada durante el proceso de fabricación. Esto permite conseguir en el posicionado de estos alojamientos o medios de apoyo 11 Ia precisión requerida para el amarre definitivo de los espejos 3.
Por tanto, las operaciones fundamentales que comprende el procedimiento son:
- Cortar una chapa plana con el espesor adecuado, para obtener una forma inicial deseada.
- Sucesivas operaciones de estampado/troquelado para conformar Ia chapa plana a Ia forma deseada, con una serie de nervios o nervaduras 42 que Ie proporcionen Ia rigidez y resistencia requeridas.
- Mediante punzonado o una operación equivalente se consegue posicionar los agujeros o medios de apoyo 11 que soportan los espejos 3 y los medios de soporte 31 que amarran el brazo al cuerpo central 1 del colector, con una precisión suficiente para no tener que realizar operaciones adicionales de ajuste. En una realización de Ia Invención, el diseño de colector con brazos estampados resulta óptimo en términos de prestaciones y coste si como cuerpo central 1 se utiliza un tubo conformado a partir de chapa soldada. Para los brazos se puede elegir chapa de espesores comprendidos entre 1.2 mm y 2 mm en función de las cargas de viento que vaya a sufrir el colector en concreto, por su posición dentro del campo.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un brazo de sustentación de colector solar cilindro-parabólico configurado para ser acoplado a un cuerpo central (1) del colector a modo de ménsula, en una dirección sustancialmente perpendicular a una línea focal (2) del colector, teniendo dicho brazo una forma de cuña que tiene: un primer lado (10) provisto de medios de apoyo (11) para soportar al menos un espejo (3); un segundo lado (20); un tercer lado (30) provisto de medios de soporte (31) para que el brazo sea soportado por el cuerpo central (1 ); estando dicho brazo caracterizado porque comprende: al menos una chapa estampada conformada para obtener una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras (42) que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares (41) entre dichas nervaduras.
2. El brazo de Ia reivindicación 1 caracterizado porque Ia chapa es galvanizada.
3. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-2 caracterizado porque Ia chapa tiene un espesor comprendido entre 1-2,5mm.
4. El brazo de cualquiera de Ia reivindicación 3 caracterizado porque Ia chapa tiene un espesor comprendido entre 1 ,2-2mm.
5. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque los medios de apoyo (11) comprenden cuatro asientos de espejo (3).
6. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-5 caracterizado porque los medios de soporte (31) comprenden dos fijaciones al cuerpo central (1) configuradas para permitir desmontar el brazo del cuerpo central (1), estando dichas fijaciones situadas en: un primer vértice donde concurren el primer lado (10) y el tercer lado (30); un segundo vértice donde concurren el segundo lado (20) y el tercer lado (30).
7. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-6 caracterizado porque además comprende al menos un vaciado (43) en Ia porción laminar (41) para aligeramiento.
8. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque el primer lado (10) es curvo-cóncavo para tener una forma adaptada a Ia forma semiparabólica del al menos un espejo (3).
9. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1 -8 caracterizado porque el segundo lado (20) es curvo-convexo para alcanzar una relación resistencia/peso óptima.
10. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-9 caracterizado porque el tercer lado (30) es curvo-cóncavo presentando una acusada concavidad para aligeramiento.
11. El brazo de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 caracterizado porque Ia pluralidad de nervaduras (42) forma una celosía que tiene un entramado seleccionado entre triangular, trapezoidal y combinaciones de los mismos.
12. Un soporte de colector solar cilindro-parabólico caracterizado porque comprende al menos un brazo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11 y un cuerpo central (1) en forma de tubo conformado a partir de una chapa plana para: aportar rigidez torsional; minimizar el número de fijaciones al brazo; facilitar el montaje/desmontaje del brazo.
13. Procedimiento para fabricar un brazo conforme a las reivindicaciones 1-11 caracterizado porque comprende: a) cortar un desarrollo de un brazo en una chapa plana para obtener una forma inicial; b) estampar Ia forma inicial para conformar una estructura resistente para aportar rigidez y capacidad portante mediante una pluralidad de nervaduras (42) que forman una celosía que tiene una pluralidad de porciones laminares (41) entre dichas nervaduras para obtener una forma final.
14. El procedimiento de Ia reivindicación 13 caracterizado porque además comprende: c) punzonar Ia forma final para ubicar los medios de apoyo (11).
15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 13-14 caracterizado porque además comprende: d) punzonar Ia forma final para ubicar los medios de soporte (31).
PCT/ES2006/000414 2005-09-19 2006-07-18 Brazo de sustentación. soporte de colector solar cilindro- parabólico y procedimiento para fabricar el brazo WO2007034008A1 (es)

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