WO2011098623A1 - Elemento aislante del dispositivo de compensación de expansión y procedimiento de fabricación del mismo - Google Patents

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Noella Martinez Sanz
Javier Asensio Perez Ullivarri
Pablo José BOMBIN ORTEGA
José Ángel RICO SANCHEZ
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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Definitions

  • the present invention describes an insulating element that allows reducing thermal losses in the expansion compensation device of the tube-shaped solar receivers.
  • the general principle of solar thermal technology is based on the concept of the concentration of solar radiation to generally produce steam, which is subsequently used in conventional power plants.
  • Linear concentration is easier to install by having less degrees of freedom, but it has a lower concentration factor and therefore can reach lower temperatures than point concentration technology.
  • the invention that concerns us revolves around one of the elements that are part of said receiving tubes, specifically it is an insulating element for the expansion compensation device, which is explained below.
  • a receiver tube In general, a receiver tube consists of two concentric tubes between which vacuum is generated.
  • the inner tube, through which the heating fluid circulates, is metallic and the outer tube is glass, usually borosilicate.
  • the expansion compensating device is placed, in such a way that it allows the longitudinal movement of the tubes and guarantees the vacuum, absorbing the tensions that would be created by the difference between the expansion coefficients of the metal and the glass.
  • a protective tube (20) is placed, the axial length of which coincides with the length of the fires, being able to be located in the area of the glass tube or in the glass transition zone. metal and thus prevent direct sunlight from affecting bellows or expansion compensation devices.
  • the present invention aims to provide an insulating element that reduces thermal losses at the ends of the absorber tube to thereby improve the efficiency of the system.
  • our protective element protects a part that is not mentioned in the previous patent from thermal losses (protects the cover and part of the absorber metal tube according to proposal 1 or lid and the vessel according to proposal 2) and for this it uses a bellows system that allows to absorb the relative movement between its component parts, something that would be unfeasible with the elements known until now.
  • the invention consists of a piece that allows to isolate and reduce thermal losses in the expansion compensation device, following the relative movements that may exist between the assembly formed by the borosilicate tube, ring Kovar or transition element metal glass, expansion compensator, vessel (end of absorber metal tube), lid and receiver metal tube.
  • the piece consists of a bellow-shaped element manufactured by hydro-forming that houses in its interior an insulating material of the type of rock wool that will copy the geometry of the expansion compensation device.
  • the insulating element of the invention can be placed in two ways: either by completely wrapping the compensation device achieving a greater reduction of thermal losses or reaching the middle part of the vessel (end of the absorbing metal tube), a solution that It adapts to existing commercial media.
  • FIG. 1 Overview of the end of the absorber tube
  • Figures 6, 7 End of the absorber tube on the support elements of the assembly Preferred Embodiment of the Invention
  • Figures 1, 2 and 3 show the overall views of the end of the absorber tube.
  • Figure 1 shows the set of elements that are located at the end of the absorber tube and the location of the insulating element (1) between them.
  • the insulating element (1) is in the form of a bellows and is filled with an element of the rock wool type (2) or the like to achieve the desired insulation because, thanks to that insulation, a hot air chamber is created that reduces the thermal losses
  • This element (1) covers the end of the expansion compensation device
  • Proposal 2 (figure 3): the insulating element (1) reaches the middle part of the vessel, the vessel being understood as the end or end of the absorber metal tube
  • proposal 1 achieves greater thermal insulation than proposal 2, however the latter achieves complete adaptation to current commercial media.
  • Figures 4 and 5 show the insulating element (1) claimed in elevation and plan. It is observed that it is a bellows type ring with one of the bases of smaller diameter than the other, to adapt to the place where it will be placed, either according to proposal 1 or 2.
  • the piece can be manufactured in an isolated way and independent of the cover, to be able to adapt it to existing pipes or it can be manufactured specifically, adapted to the expansion compensating device in which it is to be installed.
  • the manufacturing process consists of manufacturing the piece by means of the hydroforming technique. Basically it is a process of forming a material (usually a metal) by the action of a high pressure fluid.
  • a material usually a metal
  • the most common application consists of forming a steel tube against the walls of a die that has the form of a bellows, by introducing a high pressure fluid.
  • the pieces thus obtained are welded by microplasm to the lid or housing.
  • This system is specially designed for application in absorber tubes of solar collectors, but its extension to other fields of industry that require similar characteristics is not ruled out.

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Abstract

Elemento aislante del dispositivo de compensación de expansión y procedimiento de fabricación del mismo, de los utilizados en los tubos absorbedores colectores de energía solar que está formado por una sola pieza en forma de anillo y con terminado tipo fuelle, que se rellena de lana de roca u otro material aislante equivalente, de manera que crea una cámara de aire caliente que minimiza las pérdidas térmicas.

Description

ELEMENTO AISLANTE DEL DISPOSITIVO DE COMPENSACIÓN DE EXPANSIÓN Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DEL MISMO
Sector técnico de la invención
La presente invención describe un elemento aislante que permite disminuir las pérdi- das térmicas en el dispositivo de compensación de expansión de los receptores solares en forma de tubo.
Antecedentes de la invención
El principio general de la tecnología termosolar está basado en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir generalmente vapor, que es utilízado posteriormente en plantas eléctricas convencionales.
Aumentar la captación de energía solar, que tiene una densidad relativamente baja, es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares.
Existen dos tipos de concentradores solares: concentradores lineales y concentradores puntuales. La concentración lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.
Es por eso que se trata de avanzar en el desarrollo de los tubos receptores usados en ia concentración lineal, para tratar de aumentar la captación de energía solar y disminuir las pérdidas térmicas, de manera que el rendimiento global de la planta de concentración se vea incrementado.
La invención que nos ocupa gira en torno a uno de los elementos que forman parte de dichos tubos receptores, concretamente se trata de un elemento aislante para el dispositivo de compensación de expansión, que a continuación se explica.
En general, un tubo receptor consta de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo exterior es de vidrio, habitualmente de borosilicato.
Entre ambos tubos se coloca el dispositivo compensador de expansión, de tal forma que permite el movimiento en sentido longitudinal de los tubos y garantiza el vacío, absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia existente entre los coefi- cientes de dilatación del metal y del vidrio.
Pero este elemento necesita ser aislado por su extremo para evitar las pérdidas que se producirían por convección natural. Ese elemento aislante es el que desarrolla esta invención. Se conocen en el estado de la técnica varias soluciones para este elemento, pero el que mejor resultados ofrece es el divulgado por SCHOTT en la patente US 7013887. En dicho documento las pérdidas de calor en la región extrema del tubo absorbedor se reducen por medio del doble aislamiento al vacío que resulta debido a que el ele- mentó que conecta al tubo de metal ya proporciona un aislamiento y un segundo aislamiento se forma entre los fuelles plegables del dispositivo de compensación de expansión y el tubo de vidrio, porque el espacio libre que queda es angosto y no se produce intercambio de aire. Además, al final del tubo absorbedor (tubo metálico) se coloca un tubo protector (20), cuya longitud axial coincide con la longitud de los fue- lies, pudiendo situarse en la zona del tubo de vidrio o en la zona de transición vidrio- metal y así prevenir que la radiación directa del sol afecte a los fuelles o dispositivos de compensación de expansión.
Básicamente se trata de un elemento que permite aislar esa zona para disminuir las pérdidas térmicas además de evitar el calentamiento directo por incidencia de la luz concentrada de los espejos sobre la soldadura vidrio metal.
Con este sistema de aislamiento se ha comprobado que si se trata de introducir mejoras en el dispositivo de compensación de expansión que incrementen el rendimiento del colector solar, no existe ningún elemento que resuelva el tema de las pérdidas térmicas en los extremos del tubo.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un elemento aislante que disminuya las perdidas térmicas en los extremos del tubo absorbedor para mejorar así la eficiencia del sistema.
Es por ello que, a diferencia del estado de la técnica conocido, nuestro elemento protector protege de las perdidas térmicas una parte que no es la mencionada en la pa- tente anterior (protege la tapa y parte del tubo metálico absorbedor según propuesta 1 o la tapa y el vaso según propuesta 2) y para ello utiliza un sistema de fuelle que permite absorber el movimiento relativo entre sus partes componentes, algo que sería inviable con los elementos conocidos hasta ahora.
Descripción de la invención
La invención consiste en una pieza que permite aislar y disminuir las pérdidas térmicas en el dispositivo de compensación de expansión, siguiendo los movimientos relativos que pueda haber entre el conjunto formado por el tubo de borosilicato, anillo Kovar o elemento de transición vidrio metal, compensador de expansión, vaso (final del tubo metálico absorbedor), tapa y el tubo metálico receptor.
La pieza consiste en un elemento en forma de fuelle fabricado por hidroconformado que aloja en su parte interior un material aislante del tipo de lana de roca que copiará la geometría del dispositivo de compensación de expansión.
De esta forma se genera una cámara de aire que permite disminuir las perdidas por los extremos de los tubos receptores.
El elemento aislante de la invención se puede situar de dos maneras: o bien envolviendo completamente el dispositivo de compensación consiguiendo una mayor re- ducción de las pérdidas térmicas o bien llegando hasta la parte media del vaso (final del tubo metálico absorbedor), solución que se adapta a los soportes comerciales actualmente existentes.
La selección de una geometría tipo fuelle nos permite tener un elemento que siga los movimientos relativos del dispositivo de compensador sin introducir carga que, si bien no es un problema por los bajos valores de rigidez del dispositivo compensador de expansión, si lo sería si no permitiera los movimientos relativos entre el tubo de borosilicato y el tubo metálico absorbedor.
Este sistema, a diferencia del estado de la técnica conocido, disminuye drásticamente las pérdidas por convección natural proporcionando un aislamiento total al extremo del tubo absorbedor, de tal forma que si se emplease este elemento aislante en los desarrollos de tubo actualmente existentes, se disminuirían las perdidas térmicas en un 0,02 % por tubo y dado que una planta solar de 50 MWe cuenta con unos 90.000 tubos, la reducción de las perdidas térmicas en toda la planta sería elevadísima. Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 : Vista de conjunto del extremo del tubo absorbedor
Figura 2: Vista de conjunto según propuesta 1
Figura 3: Vista de conjunto según propuesta 2
Figura 4: Alzado del elemento aislante
Figura 5: Planta del elemento aislante
Figuras 6, 7: Extremo del tubo absorbedor sobre los elementos soporte del conjunto Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir, con ayuda de las figuras, el elemento aislante según una realización preferente.
En las figuras 1 , 2 y 3 se presentan las vistas de conjunto del extremo del tubo ab- sorbedor.
En la figura 1 se puede observar el conjunto de los elementos que se sitúan en el extremo del tubo absorbedor y la ubicación del elemento aislante (1) entre ellos. El elemento aislante (1) tiene forma de fuelle y se rellena con un elemento del tipo lana de roca (2) o similar para lograr el aislamiento deseado pues, gracias a ese ais- lamiento se crea una cámara de aire caliente que consigue disminuir las pérdidas térmicas.
Este elemento (1) cubre el extremo del dispositivo de compensación de expansión
(3) y se solapa por su parte externa con el tubo de vidrio (5).
Hay dos propuestas posibles para su colación:
· Propuesta 1 (figuras 1 y 2): el elemento aislante envuelve completamente la parte superior del dispositivo compensador de expansión (entre medias se encuentra el getter (6), pero que no supone ningún interés para la invención desarrollada)
• Propuesta 2 (figura 3): el elemento aislante (1 ) llega hasta la parte media del vaso, entendiendo por vaso el extremo o final del tubo metálico absorbedor
(4), por el que circula el fluido caloportador.
Las diferencias entre ambas propuestas se basan en el hecho de que la propuesta 1 consigue un mayor aislamiento térmico que la propuesta 2, sin embargo ésta última consigue una completa adaptación a los soportes comerciales actuales.
En las figuras 4 y 5 se puede ver el elemento aislante (1) que se reivindica en alzado y en planta. Se observa que se trata de un anillo tipo fuelle con una de las bases de menor diámetro que la otra, para adaptarse al lugar donde va a ser colocado, ya sea según la propuesta 1 o 2.
En las figuras 6 y 7 se puede ver el extremo final del tubo colocado sobre los elemen- tos de soporte (7). Para tubos absorbedores de aproximadamente 4 metros, estos elementos se colocan en ambos extremos del tubo, aunque se requiere de un par de apoyos adicionales a lo largo del tubo para evitar posibles roturas. Como se ha dicho anteriormente la propuesta 2, es decir, la realización en la que el elemento aislante (1) llega hasta la parte media del vaso, aunque con un menor aislamiento térmico, consigue una completa adaptación a los soportes comerciales actuales (7).
La pieza se podrá fabricar de manera aislada e independiente de la tapa, para poder adaptarlo a tubos ya existentes o se podrá fabricar de manera específica, adaptado al dispositivo compensador de expansión en el que se vaya a instalar.
El proceso de fabricación consiste en la fabricación de la pieza mediante la técnica de hidroconformado. Básicamente se trata de un proceso de conformado de un material (generalmente un metal) mediante la acción de un fluido a alta presión. La aplicación más común consiste en el conformado de un tubo de acero contra las paredes de una matriz que tiene la forma de fuelle, mediante la introducción de un fluido a alta presión. Las piezas así obtenidas se sueldan por microplasma a la tapa o carcasa. Este sistema está especialmente diseñado para su aplicación en los tubos absorbedores de los colectores solares, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Elemento aislante del dispositivo de compensación de expansión de tubos absorbedores de energía solar caracterizado porque se trata de una pieza que minimiza las pérdidas térmicas del extremo del tubo absorbedor siguiendo los movimientos relativos que puedan existir entre el conjunto formado por el tubo de borosilicato, el elemento de transición vidrio metal, elemento compensador de expansión, parte final del tubo metálico absorbedor, tapa y el tubo metálico receptor.
2. Elemento aislante del dispositivo de compensación de expansión de tubos ab- sorbedores de energía solar según reivindicación 1 caracterizado porque se trata de un anillo con una terminación tipo fuelle que se rellena de un material aislante como lana de roca o similar que crea una cámara de aire caliente de forma que minimiza las pérdidas térmicas por convección.
3. Elemento aislante según reivindicación 2 caracterizado porque se sitúa, se- gún una primera propuesta, sobre el dispositivo de compensación de expansión en el extremo del tubo absorbedor envolviendo completamente la parte superior del dispositivo compensador de expansión protegiendo así la tapa y el tubo absorbedor.
4. Elemento aislante según reivindicación 2 caracterizado porque se sitúa, se- gún una segunda propuesta, sobre el dispositivo de compensación de expansión en el extremo del tubo absorbedor llegando hasta la parte media del vaso, entendiendo por vaso el extremo o final del tubo metálico absorbedor por el que circula el fluido caloportador, protegiendo así la tapa y el vaso.
5. Procedimiento de fabricación del elemento aislante del dispositivo de compensación de expansión de tubos absorbedores de energía solar como el reivindicado anteriormente caracterizado porque el proceso de fabricación consiste en la fabricación de dos cuerpos concéntricos mediante la técnica de hidrocon- formado introduciendo un fluido a alta presión en un tubo generalmente de acero contra las paredes de una matriz que tiene la forma de fuelle. Las piezas así obtenidas se sueldan a la tapa o carcasa.
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