WO2011104400A1 - Disco solar paramétrico con estructura modular y método de montaje - Google Patents

Disco solar paramétrico con estructura modular y método de montaje Download PDF

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WO2011104400A1
WO2011104400A1 PCT/ES2011/000046 ES2011000046W WO2011104400A1 WO 2011104400 A1 WO2011104400 A1 WO 2011104400A1 ES 2011000046 W ES2011000046 W ES 2011000046W WO 2011104400 A1 WO2011104400 A1 WO 2011104400A1
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primary
solar
substructure
parametric
modular structure
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PCT/ES2011/000046
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Juan Pablo NÚÑEZ BOOTELLO
Félix MUÑOZ GILBERT
Cristina Sosa Naranjo
Original Assignee
Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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Publication date
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention falls within the technical sector of solar thermal technology, more specifically in the point concentrator systems of! type parabolic disk, Stirling disk or AMTEC disk (alkali-metal thermal-to-electric conversion, that is thermal converter of thermal energy to electric by using alkali metals).
  • the general principle of solar thermal technology is based on the concept of the concentration of solar radiation to heat a heat transfer fluid and generate electricity.
  • the collection of solar energy and its concentration is one of the biggest challenges in the development of solar thermal plants.
  • the linear is easier to install by having less degrees of freedom, but it has a lower concentration factor and therefore can reach lower temperatures than the point concentration technology.
  • the Parabolic Cylinder Concentrator is the most mature concentration system and now the new Fresnel Linear Collectors begin to emerge. Within the point concentrators, tower centers and parabolic disc or Stirling or AMTEC disc concentrators are distinguished.
  • a field of heliostats or moving mirrors that are oriented according to the position of the sun, reflect solar radiation to concentrate it up to 600 times on a receiver that sits on top of a tower. This heat is transmitted to a fluid in order to generate steam that expands in a turbine coupled to a generator for the production of electricity.
  • a spot concentrator system of the solar disk type has a two-axis parabolic concentrator that reflects the incident solar rays on a point or focus where the solar receiver is attached to a motor or a microturbine. Concentrated solar radiation is absorbed into the receiver causing heating of a fluid, usually helium or hydrogen in the case of Stirling engines, up to a temperature around 750 ° C. This energy is used to generate electricity by the motor. or microturbine, through an alternator or generator that has connected to its axis. To achieve optimal operation, the system must be provided with the necessary mechanisms to be able to continuously monitor the position of the sun.
  • High reflectivity solar concentrator (called primary concentrator or reflector): its mission is to reflect and concentrate on the solar receiver the direct solar radiation that affects its surface.
  • the specular surface is achieved through a mirrored parabolic disc that is supported in a suitable structure.
  • Solar receiver it is a heat exchanger that is usually composed of a series of small diameter and parallel tubes through which the working fluid circulates.
  • Stirling or microturbine motor transforms the heat absorbed in the receiver into mechanical energy, which in turn is transformed into electrical energy by a generator directly coupled to the motor shaft.
  • the sun tracking system the most common tracking system consists of a device that rotates the whole system so that the rays always strike perpendicular to the parabola (parallel to its optical axis).
  • the metal structure the mission of the structure of the collector is to support and stiffen the set of elements that compose it.
  • AMTEC alkali-metal thermal-to-electric conversion
  • Stirling engine is replaced by a new regenerative power conversion unit that allows the direct conversion of heat into electricity by using of an alkali metal.
  • the C / Cmax concentration (semi-acceptance) it is maximized for a half-opening angle for the 45 ° disk, reaching a ratio of 0.25.
  • the collection efficiency of this concentrator defined as the fraction of power incident within the design acceptance angle of the primary, which reaches the receiver is 100% and the number of reflections is equal to 1.
  • the concentration C reaches values close to 2500 soles provided that the solar light overflow in the receiver is zero, that is, the sum of the errors due to the manufacturing tolerances of the components, the precision of the mechanisms that move the collector in its tracking of the sun, the structural deformation and the error due to the shape of the sun, not being a point source, are effectively less than or equal to the 10 mrad design acceptance half angle referred to above.
  • a drawback presented by this type of concentrators is that the motor is facing the primary and away from the main body of the disk, penalizing the expense in structure.
  • a parabolic mirror concentrates the collimated light in its focus together with the optical property of the hyperbola that makes the rays directed towards one of the foci to be reflected in the other focus.
  • US 4784700 A (STERN et al.) Discloses a solar energy concentrator (references refer to this document) comprising a parabolic primary mirror (12), a hyperbolic secondary mirror (40) facing the parabolic primary mirror (12), which captures the sun's rays reflected by the primary concentrator (12) and redirects them to the solar receiver (20) that by means of the motor (22) transforms that heat into electrical energy.
  • the receiver (20/22) is located in the center of the parabolic primary (2), at a different distance between the primary and the secondary depending on the embodiment. The receiver and the primary move solidarity nurse.
  • Document DE 29606687 U1 also describes a solar energy concentrator with a primary concentrator (5) of paraboloid geometry and a secondary reconcentrator (7) of hyperboloid geometry.
  • the receiver (6) is located between the primary (5) and the secondary (7) and is jointly and severally linked to the primary (5).
  • the method involves designing ignoring the shadow that the secondary produces in the primary.
  • the starting parameters are the position and width of the receiver, the separation of the receiver in relation to the secondary, the separation between the primary and secondary and the angle of acceptance of the collector.
  • solar trackers for the best use of solar radiation, such as document ES2157857A1.
  • solar trackers of one or several axes with which it is possible to compensate both the movements of the sun throughout the day and its position according to the seasons of the year (azimuthal and zenithal movement).
  • the present invention focuses on the development of a Stir-ling disk collector, AMTEC disk or parametric equivalent, with a novel structure, which optimizes the geometry of the primary and secondary reflector, moving away from the conventional geometry of the current parabola and improving both optically - taking advantage of all the gross opening of the primary - and structurally, making the assembly more robust and reliable thanks to a structure that adapts to the new geometry, which is no longer parabolic and that decreases the cost of both the structure and the Solar Tracker. Description of the invention
  • the present invention relates to a spot solar concentrator of Stirling disk, AMTEC disk or equivalent, optimized.
  • the primary and secondary reflectors are designed using the SMS design method of Mi ⁇ ano, Ben ⁇ tez et al. , which maximizes concentration while maintaining collection efficiency at 100%.
  • the method involves designing ignoring the shadow that the secondary produces in the primary.
  • the starting parameters are the position and width of the receiver, the separation of the receiver in relation to the secondary, the separation between the primary and secondary and the angle of acceptance of the collector.
  • the geometry of the new collector allows to increase the C / Cmax concentration to more than 0.75 - to compare with the current 0.25 -.
  • the motor stops looking at the primary and goes on to look at the secondary, positioning itself inside the primary, very close to the main body of the structure.
  • the secondary reflector or reconcentrator in addition to reconcentrating and allowing the reduction of the distance from the motor to the main body of the structure, allows the radiation to be uniformized in the receiver, minimizing possible spikes and improving heat exchange and Stirling motor efficiency, of the microturbine or the AMTEC unit.
  • Another of the advances proposed by this invention is to place a photovoltaic panel in the secondary that generates electricity in an additional way, thus combining thermal and photovoltaic technology, combining its advantages.
  • the structure of the collector also represents a great advance with respect to what has been known so far. It is a modular structure that is divided into two parts: a first substructure that supports the motor, the receiver and the secondary reconcentrator and supports all the efforts of the movement and a second substructure that supports the primary, adjusting to it in an extraordinary way due to to its geometry and that is dragged into the movement by the first.
  • the first substructure is in the shape of a Greek cross to which a fifth cube-shaped perpendicular arm comes out to support the motor and support the concentrator.
  • the second substructure consists of sixteen arms that make up a star structure that is anchored to the first.
  • the secondary would have the possibility of being supported both by the motor itself and by the primary or even the secondary substructure, adapting it for it.
  • the two substructures are formed by simple, stackable and hot galvanized steel parts.
  • the sun tracker mechanism for movements is solved by a circular crown that performs the azimuthal movement and a hammer to execute the zenith movement.
  • the solar tracker allows the collector to always be positioned to receive the greatest amount of solar radiation
  • the design of the structure is designed to satisfy the following objectives:
  • the assembly of the structure is conceived as a Lean Manufacturing System (Manufacturing in Line) of great simplicity and that does not require large investments, the tools or assembly tables are designed removable so that once the assembly planned in a Location are disassembled and moved to another location.
  • Lean Manufacturing System Manufacturing in Line
  • the assembly sequence is as follows:
  • the motor is protected inside the primary reflector, it is achieved that the wind loads on the receiver and motor assembly are reduced, both by decreasing the height at which it is positioned and by looking protected from them by the primary reflector itself.
  • the motor stops looking towards the primary to look up approaching the body of the structure and reducing the cantilever weight.
  • the photovoltaic panel allows to take advantage of 100% of the gross opening of the disk, to feed the control system of the Stirling disk in direct current and to stiffen the secondary.
  • the disk blur system can be performed by defocusing the secondary.
  • the present invention relates to a spot solar concentrator of the parametric solar disk type including its structure, the solar tracker and the mounting method.
  • Figure 1 and Figure 2 reflect the state of the art considered by the inventors as the closest to the claimed invention.
  • Figure 1 shows the general scheme of this type of collectors.
  • they consist of a primary reflector (1) of parabolic geometry, where solar radiation (4) is concentrated, a receiver (3) that becomes the focus of solar radiation (4) that reflects the primary (1 ) and a Stirling engine (5).
  • the structure (7) that supports the collector assembly can also be observed.
  • Figure 2 shows a possible design of reflector or primary concentrator (1) and secondary concentrator (2) of non-parabolic geometries and designed with the SMS method. If it is a question of combining the advantages of the state-of-the-art designs, using a collector with independent reflector or primary concentrator (1) and secondary secondary (2) and also applying the SMS design method, it is verified that the reconcentrator Secondary (2) would have a size that would overshadow the entire primary (1), canceling solar energy collection, as can be seen in Figure 2.
  • Figure 3 shows the collector of the invention.
  • the geometry of the primary reflector (1) in the invention is of the discontinuous type, which implies that there are one or more gaps or spaces and / or discontinuities along it (in the figure a hole).
  • Said reflector (1) is symmetrical and with geometry that is not parabolic.
  • the geometry of the primary reflector (1) of the invention has been calculated using the SMS method.
  • SMS surfaces are continuous curves consisting of successive pieces of Cartesian ovals.
  • the method involves designing ignoring the shadow that the secondary (2) produces in the primary (1).
  • the starting parameters are the position and width of the receiver (3), the separation of the receiver (3) in relation to the secondary (2), the separation between the primary (1) and the secondary (2) and the acceptance angle of the collector. Being ⁇ the half-angle of acceptance of the incident radiation in the primary reflector (1) and ensuring the equality of the lengths of the optical paths towards one of the two wave fronts, each section of the primary (1) helps to define each section of the secondary (2) and vice versa with respect to the other wavefront.
  • both reflectors (1, 2) continue to grow until the design is completed with the characteristics required of the collector. Once the design is finished, only the part of primary (1) not shaded by the secondary (2) remains operative.
  • the geometry of the new collector allows to increase the concentration C / Cmax to more than 0.75 - to compare with the current 0.25 - keeping the collection efficiency at 100%.
  • the motor (5) stops looking at the primary (1) and starts looking at the secondary (2), positioning itself inside the primary (1) very close to the main body of the structure (7) or first substructure (9) that It is detailed later.
  • the secondary (2) in addition to reconcentrating and allowing the reduction of the distance of the motor (5) to the main body of the structure (7), allows to standardize the radiation in the receiver (3), minimizing the possible peaks and improving the exchange of heat and efficiency of the Stirling engine or the microturbine or the AMTEC unit (5).
  • the curvature and depth of both the primary (1) and secondary (2) are also optimized for the purpose of mirror manufacturing and structural stability.
  • FIG. 3 Another of the improvements proposed and that is observed in figure 3, is the placement of a photovoltaic panel (6) on the secondary (2). In this way, 100% of the opening of the disc is used and the electrical and electronic equipment of the solar collector is fed in direct current with the energy it produces. time that stiffens the secondary (2).
  • Figure 4 shows the ray tracing of the collector and it is verified that the collection efficiency is 100%, since all the rays that reach the primary reflector (1) end up being concentrated in the receiver (3).
  • Figure 5 shows the two substructures into which the structure that supports the assembly is divided;
  • the first substructure (9) is in the form of a Greek cross based on cube-shaped modules to which a fifth arm (1 1) perpendicularly cube-shaped comes out to support the motor (5) and support the secondary reconcentrator (2) and the photovoltaic plate (6) (figure 5C);
  • the second substructure (10) is shown in Figure 5B and is formed by sixteen arms based on tetrahedral geometry modules, which form a star substructure that is anchored to the first (9), as seen in the figure 5C.
  • the first substructure (9) supports all the efforts of the movement.
  • the second substructure (10) supports the primary (1) by coupling its parametric geometry perfectly thanks to its modularity and geometry and is dragged into the movement by the first substructure (9).
  • the two substructures (9, 10) are formed by simple, stackable and hot galvanized steel parts.
  • Figure 6 shows the plane of the solar tracker or mechanism for the movements of the collector, which comprises a circular crown (3) that performs the azimuthal movement and a hammer (12) to execute the zenithal movement.
  • the solar tracker allows the collector to always be positioned to receive the greatest amount of solar radiation.
  • Figure 6 shows two of the possible positions of the collector.
  • Figure 7 shows the sequence of assembly of the collector, from left to right. It comprises the following stages:
  • This solar receiver design is specially designed for solar plants of Stirling disc type point collectors or equivalent, but its possible application in other fields is not ruled out, making the appropriate adaptations.

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Abstract

Disco solar paramétrico con estructura modular y método de montaje formado por un reflector primario discontinuo (1 ) y simétrico, un reflector secundario (2) inde¬ pendiente del primario, un receptor (3) sobre el que se concentra la radiación solar (4) que refleja el primario (1 ), un motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) y un generador que transforma el calor solar en electricidad; donde la geometría de ambos reflectores primario (1 ) y secundario (2) es paramétrica y sobre el secundario (2) se sitúa un panel fotovoltaico (6). La estructura modular que soporta al colector está formada por dos subestructuras independientes: el subes¬ tructura primera de cubos en forma de cruz griega y la subestructura segunda en forma de estrella con módulos tetraédricos (1 ); también cuenta con un seguidor solar con corona circular para el movimiento acimutal y martinete para el cenital.

Description

DISCO SOLAR PARAMÉTRICO CON ESTRUCTURA MODULAR Y MÉTODO DE MONTAJE
Sector técnico de la invención
La invención se encuadra en el sector técnico de la tecnología termosolar, más concretamente en los sistemas de concentradores puntuales de! tipo disco parabólico, disco Stirling o disco AMTEC (alkali-metal thermal-to-electric conversión, es decir conversor térmico de energía térmica a eléctrica mediante el uso de metales alcalinos).
Antecedentes de la invención
El principio general de la tecnología termosolar está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para calentar un fluido caloportador y generar electricidad.
La captación de energía solar y su concentración es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares. Existen principalmente dos tipos de tecnologías de concentradores: la concentración puntual y la concentración lineal. La 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.
Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico es el sistema de concentración más maduro y ahora empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel. Dentro de los concentradores puntuales se distinguen las centrales de torre y los concentradores de disco parabólicos o disco Stirling o AMTEC.
En las centrales de torre, un campo de helióstatos o espejos móviles que se orien- tan según la posición del sol, reflejan la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Este calor se transmite a un fluido con el objeto de generar vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador para la producción de electricidad.
Un sistema de concentrador puntual del tipo disco solar cuenta con un concentrador parabólico con seguimiento a dos ejes que refleja los rayos solares incidentes sobre un punto o foco donde se sitúa el receptor solar unido a un motor o una microturbi- na. En el receptor se absorbe la radiación solar concentrada originando el calentamiento de un fluido, habitualmente helio o hidrogeno en el caso de los motores Stirling, hasta una temperatura entorno a los 750° C. Esta energía es utilizada para la generación de electricidad por el motor o la microturbina, a través de un alternador o generador que tiene conectado a su eje. Para lograr un óptimo funcionamiento, el sistema debe estar provisto de los mecanismos necesarios para poder realizar un seguimiento continuo de la posición del sol.
Así pues, los componentes principales de una planta solar de tecnología de disco Stirling son:
• Concentrador solar de alta reflectividad (denominado concentrador o reflector primario): su misión es reflejar y concentrar sobre el receptor solar la radiación solar directa que incide sobre su superficie. La superficie especular se consigue a través de un disco parabólico espejado que se soporta en una estructura adecuada.
• Receptor solar: es un intercambiador de calor que suele estar compuesto por una serie de tubos de pequeño diámetro y paralelos por los que circula el fluido de trabajo .
• Motor Stirling o microturbina: transforma el calor absorbido en el receptor en energía mecánica, la cual a su vez es transformada en energía eléctrica por un generador acoplado directamente al eje del motor.
• El sistema de seguimiento del sol: el sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira el conjunto del sistema de manera que los rayos incidan siempre perpendiculares a la parábola (paralelas al eje óptico de ésta).
• La estructura metálica: la misión de la estructura del colector es la de sustentar y dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.
Los discos AMTEC (alkali-metal thermal-to-electric conversión) son similares a los discos Stirling pero en este caso el motor Stirling se sustituye por una nueva unidad de conversión de potencia regenerativa que permite la conversión directa de calor en electricidad mediante la utilización de un metal alcalino.
Los sistemas de disco solar han demostrado ser la tecnología con mayor eficiencia de conversión de radiación solar en energía eléctrica, con valores máximos del 30 % y hasta del 25 % de promedio diario. Pese a estos excelentes resultados la tecnología no ha conseguido la madurez comercial de otras tecnologías - como centrales de torre o colectores cilindro parabólicos - debido entre otros factores a costes demasiados elevados y a estructuras muy pesadas.
Los diseños tradicionales de concentradores para discos Stirling se basan en paraboloides de revolución que concentran la luz solar en su foco. En esta configuración el motor Stirling, la microturbina, o la unidad AMTEC hacen sombra al primario penalizando ligeramente la apertura del disco.
Si no se usa reconcentrador o reflector secundario la concentración C/Cmax; con Cmax = 1/seno (semiaceptancia) se maximiza para un semiángulo de apertura para el disco de 45° alcanzando el cociente un valor de 0.25. La eficiencia de colección de este concentrador, definida como la fracción de potencia incidente dentro del ángulo de aceptancia de diseño del primario, que alcanza el receptor es del 100% y el número de reflexiones es igual a 1. Así, teniendo en cuenta que el semiángulo de aceptancia de diseño de este tipo de concentradores está en el entorno de los 10 mrad, la concentración C alcanza unos valores cercanos a 2500 soles siempre que el desbordamiento de luz solar en el receptor sea nulo, es decir, que la suma de los errores debidos a las tolerancias de fabricación de los componentes, a la precisión de los mecanismos que mueven el colector en su seguimiento del sol, a la deformación estructural y el error debido a la forma del sol, al no ser una fuente puntual, sean efectivamente menor o igual que el semiángulo de aceptancia de diseño de 10 mrad referido anteriormente.
Un inconveniente que presentan este tipo de concentradores es que el motor queda enfrentado al primario y alejado del cuerpo principal del disco, penalizando el gasto en estructura.
Es por ello que resulta atractivo incluir secundarios que permitan aumentar la relación C/Cmax, aumentar el semiángulo de aceptancia de diseño manteniendo las concentraciones C actuales, mantener la eficiencia de colección en el 00% y acercar el motor a la estructura.
Existen diferentes referencias bibliográficas que avanzan en este sentido.
En unos casos, aprovechan el hecho de que un espejo parabólico concentra la luz colimada en su foco unido a la propiedad óptica de la hipérbola que consigue que los rayos dirigidos hacia uno de los focos sean reflejados en el otro foco.
En esta línea, el documento US 4784700 A (STERN et al.), divulga un concentrador de energía solar (las referencias se refieren a este documento) que comprende un espejo primario parabólico (12), un espejo secundario hiperbólico (40) enfrentado al espejo primario parabólico (12), que capta los rayos del sol reflejados por el concentrador primario (12) y los reconduce al receptor solar (20) que mediante el motor (22) transforma ese calor en energía eléctrica. El receptor (20/22) se sitúa en el centro del primario parabólico ( 2), a diferente distancia entre el primario y el se- cundario dependiendo de la realización. El receptor y el primario se mueven de ma- ñera solidaria.
El documento DE 29606687 U1 (WEBER ECKHART) también describe un concentrador de energía solar con un concentrador primario (5) de geometría paraboloide y un reconcentrador secundario (7) de geometría hiperboloide. El receptor (6) se sitúa entre el primario (5) y el secundario (7) y se encuentra solidariamente unido al primario (5).
Pese a que estos diseños sí permiten acercar el motor Stirling, la microturbina o la unidad AMTEC al cuerpo principal de la estructura, en la práctica la luz no llega perfectamente colimada al primario debido, como se ha indicado anteriormente, a las tolerancias de fabricación de los componentes, a la precisión finita de los mecanismos que mueven el colector en su seguimiento del sol, a la deformación de la estructura y a que el sol no es una fuente puntual.
Este inconveniente puede salvarse aplicando los principios de la óptica Anidólica u óptica no formadora de imagen.
Existe la posibilidad de diseñar con ángulos de apertura mayores y un secundario tipo TERC (Tailored Edge Ray Concentrators) truncado; o utilizar secundarios de tipo trompeta o tipo CEC (Compound Elliptical Concentrator) manteniendo la eficiencia de colección en el 100% y penalizando el número promedio de reflexiones de los rayos solares. En todos los casos el motor Stirling, la microturbina o la unidad AMTEC siguen mirando al reflector primario y manteniendo un voladizo elevado. Otra posibilidad es aplicar el método de diseño denominado "The Simultaneous Múltiple Surface (SMS)" de Miñano, Benítez, et al. El método está bien descrito en el documento US 6,639,733 B2 y en otras publicaciones y permite diseñar una superficie para el primario y para el secundario que deja de ser parabólica o hiperbólica como en los casos anteriores y que mantiene la eficiencia de colección en el 100% para los rayos incidentes al colector, dentro de la aceptancia de diseño, a la vez que permite maximizar la relación C/Cmax. En este caso el número de reflexiones de los rayos solares es 2.
El método implica diseñar ignorando la sombra que el secundario produce en el primario. Los parámetros de partida son la posición y el ancho del receptor, la separación del receptor en relación al secundario, la separación entre el primario y el secundario y el ángulo de aceptancia del colector. Una vez acabado el diseño sólo queda operativa la parte de primario no sombreada por el secundario, lo cual penaliza la concentración C/Cmax. Sólo una elección adecuada de los parámetros de partida anteriores permite minimizar el tamaño del secundario y la sombra que pro- duce en el primario, maximizar la concentración C/Cmax a valores por encima de 0.75 manteniendo la eficiencia de colección en el 100% y optimizar la curvatura y la profundidad tanto del primario como del secundario.
Para un valor de C/Cmax = 0.75, si se mantienen las concentraciones actuales de 2500 soles, la semiaceptancia de diseño del primario puede relajarse de 10 mrad a 17,3 mrad. Ello implica que puede relajarse la precisión de los mecanismos que mueven el colector en su seguimiento del sol y las limitaciones en deformación estructural reduciendo drásticamente el coste del colector solar.
A la vista de los antecedentes, si se tratan de aunar las ventajas de unos y otros diseños y aplicando el método de diseño SMS - para mantener la eficiencia de colección en el 100% y maximizar la concentración C/Cmax, se comprueba que el reconcentrador secundario tendría un tamaño tal que ensombrecería todo el prima- río, anulando la captación de energía solar.
Referente a la estructura, existe en el estado de la técnica un gran número de documentos y desarrollos con diversos diseños de estructuras. Por ejemplo, en el documento ES1062138U (las referencias que figuran a continuación corresponden a dicho documento) se describe un disco cóncavo de facetas reflectoras constituido por tres casquetes esféricos concéntricos (1 ), (2) y (3) enfrentados a distancia predeterminada y unidos rígidamente mediante marcos intermedios (10), casquillos separadores (4), espárragos roscados (5) y (12) y tuercas (6).
Muchas de ellas además incorporan seguidores solares, para el mayor aprovechamiento de la radiación solar, como por ejemplo el documento ES2157857A1. Existen seguidores solares de uno o varios ejes con los que se consigue compensar tanto los movimientos del sol a lo largo del día como la posición del mismo según las estaciones del año (movimiento acimutal y cenital).
Así pues, la presente invención se centra en el desarrollo de un colector disco Stir- ling, disco AMTEC o equivalente paramétrico, con una estructura novedosa, que optimice la geometría del reflector primario y del secundario, alejándose de la convencional geometría de parábola actual y mejorando tanto ópticamente - aprovechando toda la apertura bruta del primario - como estructuralmente, haciendo el conjunto más robusto y fiable gracias a una estructura que se adapte a la nueva geometría, que ya no es parabólica y que disminuya el coste tanto de la estructura como del seguidor solar. Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un concentrador solar puntual de disco Stirling, disco AMTEC o equivalente, optimizado.
Se trata de un colector solar innovador formado por un reflector o concentrador primario de geometría optimizada ópticamente y discontinuo, un reflector o reconcentrador secundario, un receptor, el motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC, la estructura soporte de todos los elementos anteriores y el seguidor solar.
El reflector primario y el secundario se diseñan utilizando el método de diseño SMS de Miñano, Benítez et al. , que permite maximizar la concentración manteniendo la eficiencia de colección en el 100%. La geometría del primario y del secundario se aleja de la clásica parábola de los discos utilizados hasta el momento.
El método implica diseñar ignorando la sombra que el secundario produce en el primario. Los parámetros de partida son la posición y el ancho del receptor, la separación del receptor en relación al secundario, la separación entre el primario y el secundario y el ángulo de aceptancia del colector. Una vez acabado el diseño sólo queda operativa la parte de primario no sombreada por el secundario.
La geometría del nuevo colector permite aumentar la concentración C/Cmax a más de 0.75 - a comparar con el 0.25 actual - . Además el motor deja de mirar al primario y pasa a mirar al secundario posicionándose en el interior del primario muy cerca del cuerpo principal de la estructura.
El reflector o reconcentrador secundario, además de reconcentrar y permitir la reducción de la distancia del motor al cuerpo principal de la estructura permite uniformizar la radiación en el receptor, minimizando los posibles picos y mejorando el intercambio de calor y la eficiencia del motor Stirling, de la microturbina o de la unidad AMTEC.
Otro de los avances planteados por esta invención es el de situar en el secundario un panel fotovoltaico que genere electricidad de manera adicional, combinando así la tecnología termosolar y la fotovoltaica, aunando sus ventajas.
La estructura del colector también supone un gran avance respecto a lo conocido hasta el momento. Se trata de una estructura modular que se divide en dos partes: una primera subestructura que sustenta el motor, el receptor y el reconcentrador secundario y soporta todos los esfuerzos del movimiento y una segunda subestructura que sustenta el primario, ajustándose a éste de manera extraordinaria debido a su geometría y que es arrastrada en el movimiento por la primera. La primera subestructura tiene forma de cruz griega a la cual le sale un quinto brazo perpendicular en forma de cubo para soportar el motor y sustentar el re- concentrador.
La segunda subestructura está formada por dieciséis brazos que conforman una estructura en estrella que se ancla a la primera.
El secundario tendría la posibilidad de ser sustentado tanto por el propio motor como por la subestructura primaria o incluso la secundaria, adaptándola para ello. Las dos subestructuras están formadas por piezas simples, apilables y de acero galvanizado en caliente.
El mecanismo de seguidor solar para los movimientos se resuelve mediante una corona circular que realiza el movimiento acimutal y un martinete para ejecutar el movimiento cenital. El seguidor solar permite que el colector se coloque siempre orientado para recibir la mayor cantidad de radiación solar
El diseño de la estructura está concebido para dar satisfacción a los objetivos siguientes:
- Fáciles de fabricar que permita tener un amplio abanico de proveedores sin tener que desvelar el destino final de dichas piezas.
- Fáciles de transportar pues al ser piezas apilables permiten un transporte óptimo transportando peso y no volumen.
- De gran durabilidad a un costo idóneo, ya que el acero galvanizado en caliente es un producto extendido y de fácil adquisición, su capacidad de soportar el paso del tiempo está ampliamente comprobado dada que su existencia es conocida y aplicada industrialmente hace más de un siglo.
El ensamblaje de la estructura está concebido como un Sistema Lean Manufactu- ring (Fabricación en Línea) de gran simplicidad y que no requiere grandes inversiones, los útiles o mesas de montaje se diseñan desmontables de tal forma que una vez terminado el ensamblaje previsto en una localización se desmontan y se trasladan a otra localización.
La secuencia de montaje es como sigue:
- montaje de la primera subestructura con la viga en forma de cruz griega;
- posicionado del motor Stirling o microturbina o unidad A TEC o equivalente;
- montaje de la segunda subestructura en forma de estrella que sustenta el primario, para ello se montan primero sobre una mesa la mitad de los brazos; terminados estos se colocan en su posición y se ultiman los otros ocho brazos apoyándose en los anteriores; - montaje del seguidor solar, montando la corona circular y el martinete.
Como en el diseño propuesto el motor queda protegido en el interior del reflector primario, se consigue que las cargas de viento sobre el conjunto de receptor y motor se reduzcan, tanto por el hecho de disminuir la altura a la que éste se posiciona como por verse protegido de ellas por el propio reflector primario.
Por tanto, el concepto planteado aglutina una serie de ventajas como son:
- El centro de gravedad del disco y su eje de giro quedan muy próximos uno de otro
- Las cargas de viento en el disco son más favorables
- El motor deja de mirar hacia el primario para mirar hacia arriba aproximándose al cuerpo de la estructura y reduciendo el peso en voladizo.
- Los rayos solares se reflejan en el primario y luego en el secundario antes de llegar al receptor (número de reflexiones = 2).
- La concentración solar C/Cmáx pasa de 0.25 en el concepto de paraboloide actual a más de 0.75 con el nuevo concepto.
- La eficiencia de colección es del 100%.
- El panel fotovoltaico permite aprovechar el 100% de la apertura bruta del disco, alimentar en corriente continua el sistema de control del disco Stirling y rigidizar el secundario.
- El sistema de desenfoque del disco se puede realizar desfocalizando el secundario.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 . Sistema de colector solar del tipo disco Stirling (estado de la técnica)
Figura 2. Geometrías diseñadas con el método SMS (estado de la técnica)
Figura 3. Disco Stirling paramétrico de la invención
Figura 4. Trazado de rayos sobre el colector
Figura 5.
A. Subestructura primera
B. Subestructura segunda
C. Montaje de ambas subestructuras con motor, receptor, secundario y panel fotovoltaico
Figura 6. Seguidor solar Figura 7. Secuencia de montaje
Los elementos que se mencionan en las referencias representan:
1. Reflector o concentrador primario
2. Reflector o reconcentrador secundario
3. Receptor
4. Radiación solar
5. Motor o microturbina o unidad AMTEC o equivalente
6. Panel fotovoltaico
7. Estructura
8. Centro de gravedad del primario
9. Subestructura primera
10. Subestructura segunda
1 1. Quinto brazo de la subestructura primera
12. Martinete
13. Corona circular
Realización detallada de la invención
La presente invención se refiere a un concentrador solar puntual de tipo disco solar paramétrico incluyendo su estructura, el seguidor solar y el método de montaje. La figura 1 y la figura 2 reflejan el estado del arte considerado por los inventores como lo más cercano a la invención reivindicada.
La figura 1 muestra el esquema general de este tipo de colectores. De forma general se componen de un reflector primario (1 ) de geometría parabólica, donde se concentra la radiación solar (4), un receptor (3) que se convierte en el foco de la radiación solar (4) que refleja el primario (1 ) y un motor Stirling (5). Además se pue- de observar también la estructura (7) que soporta al conjunto del colector.
La figura 2 muestra un posible diseño de reflector o concentrador primario (1 ) y re- concentrador secundario (2) de geometrías no parabólicas y diseñados con el método SMS. Si se trata de aunar las ventajas de los diseños del estado de la técnica, utilizando un colector con reflector o concentrador primario (1 ) y reconcen- trador secundario (2) independientes y además aplicar el método de diseño SMS, se comprueba que el reconcentrador secundario (2) tendría un tamaño tal que ensombrecería todo el primario (1 ), anulando la captación de energía solar, como puede verse en la figura 2.
La figura 3 muestra el colector de la invención. La geometría del reflector primario (1 ) en la invención es de tipo discontinuo, lo que implica que existen uno o varios huecos o espacios y/o discontinuidades a lo largo del mismo (en la figura un hueco). Dicho reflector (1 ) es simétrico y con geometría que no es parabólica.
Concretamente, la geometría del reflector primario (1 ) de la invención se ha calculado utilizando el método SMS. Las superficies SMS son curvas continuas constitui- das por trozos sucesivos de óvalos cartesianos. El método implica diseñar ignorando la sombra que el secundario (2) produce en el primario (1 ). Los parámetros de partida son la posición y el ancho del receptor (3), la separación del receptor (3) en relación al secundario (2), la separación entre el primario (1 ) y el secundario (2) y el ángulo de aceptancia del colector. Siendo φ el semiángulo de aceptancia de la ra- diación incidente en el reflector primario (1 ) y asegurando la igualdad de las longitudes de los caminos ópticos hacia uno de los dos frentes de ondas, cada tramo del primario (1 ) ayuda a definir cada tramo del secundario (2) y viceversa respecto al otro frente de ondas. El ciclo continúa y ambos reflectores (1 , 2) continúan creciendo hasta que se completa el diseño con las características requeridas al colector. Una vez acabado el diseño sólo queda operativa la parte de primario (1 ) no sombreada por el secundario (2). La geometría del nuevo colector permite aumentar la concentración C/Cmax a más de 0.75 - a comparar con el 0.25 actual - manteniendo la eficiencia de colección en el 100%. Además el motor (5) deja de mirar al primario (1 ) y pasa a mirar al secundario (2) posicionándose en el interior del primario (1 ) muy cerca del cuerpo principal de la estructura (7) o subestructura primera (9) que se detalla más adelante.
El secundario (2), además de reconcentrar y permitir la reducción de la distancia del motor (5) al cuerpo principal de la estructura (7), permite uniformizar la radiación en el receptor (3), minimizando los posibles picos y mejorando el intercambio de calor y la eficiencia del motor Stirling o de la microturbina o de la unidad AMTEC (5). La curvatura y la profundidad tanto del primario (1 ) como del secundario (2) quedan también optimizadas a efectos de fabricación de espejos y de estabilidad estructural.
Así, entre el reflector primario (1 ) y el secundario (2) se sitúa el conjunto formado por el receptor (3) y el motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5), centrado con respecto al centro de gravedad (8) del primario (1 ).
Otra de las mejoras propuestas y que se observa en la figura 3, es la colocación de un panel fotovoltaico (6) sobre el secundario (2). De esta forma se aprovecha el 100% de la apertura del disco y con la energía que produzca se alimenta en co- rriente continua los equipos eléctricos y electrónicos del colector solar, al mismo tiempo que rigidiza el secundario (2).
La figura 4 muestra el trazado de rayos del colector y se comprueba que la eficiencia de colección es del 100%, pues todos los rayos que llegan al reflector primario (1 ) se terminan por concentrar en el receptor (3).
La figura 5 muestra las dos subestructuras en las que se divide la estructura que soporta el conjunto; según se observa en la figura 5A la primera subestructura (9) tiene forma de cruz griega a base de módulos en forma de cubos a la cual le sale un quinto brazo (1 1 ) perpendicular en forma de cubo para soportar el motor (5) y sustentar el reconcentrador secundario (2) y la placa fotovoltaica (6) (figura 5C); la segunda subestructura (10) se muestra en la figura 5B y está formada por dieciséis brazos a base de módulos de geometría tetraédrica, que conforman una subestructura en estrella que se ancla a la primera (9), tal y como se ve en la figura 5C.
La primera subestructura (9) soporta todos los esfuerzos del movimiento.
La segunda subestructura (10) sustenta el primario (1 ) acoplándose a su geometría paramétrica perfectamente gracias a su modularidad y geometría y es arrastrada en el movimiento por la primera subestructura (9).
Las dos subestructuras (9, 10) están formadas por piezas simples, apilables y de acero galvanizado en caliente.
En la figura 6 se muestra el plano del seguidor solar o mecanismo para los movimientos del colector, el cual comprende una corona circular ( 3) que realiza el movimiento acimutal y un martinete (12) para ejecutar el movimiento cenital. El seguidor solar permite que el colector se coloque siempre orientado para recibir la mayor cantidad de radiación solar. En la figura 6 se muestran dos de las posibles posiciones del colector.
En la figura 7 se ilustra la secuencia de montaje del colector, de izquierda a derecha. Comprende las siguientes etapas:
• montaje de la primera subestructura (9) con la viga en forma de cruz griega; posicionado del receptor (3) y del motor Stirling o microturbina o unidad AM- TEC o equivalente (5), con el secundario (2) y la placa fotovoltaica (6);
• montaje sobre una mesa la mitad de los brazos de la subestructura segunda (10); terminados estos se colocan en su posición y se ultiman los otros ocho brazos apoyándose en los anteriores;
montaje de la segunda subestructura (10) en forma de estrella que sustentará el primario;
montaje del concentrador primario (1 ) sobre la subestructura segunda (2); montaje del seguidor solar, montando la corona circular (13) y el martinete (12) (corresponde al último paso, no mostrado en la figura 7).
Este diseño de receptor solar está especialmente concebido para plantas solares de colectores puntuales tipo disco Stirling o equivalente, pero no se descarta su posible aplicación en otros campos, realizándole las adaptaciones apropiadas.

Claims

Reivindicaciones
1 . Disco solar paramétrico con estructura modular formado por un un reflector primario (1 ), un reflector secundario (2) independiente del primario, un receptor (3) que se convierte en el foco de la radiación solar (4) que refleja el primario (1 ), un motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) que transforma el calor solar en electricidad y una estructura (7) que sustenta el colector, donde la geometría de ambos reflectores primario (1 ) y secundario (2) es paramétrica y diseñada por el método SMS (Simultaneous Múltiple Surface) ignorando la sombra que el secundario produce en el primario caracterizado porque la geometría del reflector primario (1 ) es de tipo discontinuo y simétrico y entre el reflector primario (1 ) y el secundario (2) se sitúa el conjunto formado por el receptor (3) y el motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5), centrado con respecto al centro de gravedad (8) del primario (1 ); la estructura (7) que soporta el conjunto se divide en dos partes: una primera subestructura (9) que sustenta el motor (5), el receptor (3) y soporta todos los esfuerzos del movimiento y una segunda subestructura (10) que sustenta el reflector primario (1 ) y es arrastrada en el movimiento por la primera subestructura (9), así como un seguidor solar que coloca al colector, siempre orientado para recibir la mayor cantidad de radiación solar (4).
2. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque sobre el reflector secundario (2) se sitúa un panel fotovoltai- co (6) que da rigidez al reflector secundario (2) y alimenta con corriente continua los equipos eléctricos y electrónicos del colector solar.
3. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el colector solar tiene un índice de concentración C/Cmax mayor de 0.75 y una eficiencia de colección del 100%.
4. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC (5) deja de mirar al reflector primario (1 ) y pasa a mirar al reflector secundario (2) posi- cionándose en el interior del primario (1 ) acercándose a ia subestructura primera (9).
5. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque la primera subestructura (9) tiene forma de cruz griega a ba- se de cubos a la cual le sale un quinto brazo perpendicular (1 1 ) en forma de cubo para soportar el motor (5) y sustentar el receptor (3).
6. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 5 y 2 caracterizado porque el motor (5) soporta el reflector secundario (2) y la pla- ca fotovoltaica (6)
7. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 5 y 2 caracterizado porque la subestructura primera (9) soporta el reflector secundario (2) y la placa fotovoltaica (6).
8. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 carac- terizado porque la segunda subestructura ( 0) está formada por una serie de brazos a base de módulos de geometría tetraédrica que conforman una estructura en estrella que se ancla a la primera (9).
9. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 8 caracterizado porque la segunda subestructura (10) está formada por dieciséis brazos.
0. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 8 caracterizado porque la subestructura segunda (10) soporta el reflector secundario (2) y la placa fotovoltaica (6).
1 1 . Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicaciones 5 y 8 caracterizado porque las dos subestructuras (9, 10) están formadas por piezas simples, apilables y de acero galvanizado en caliente.
12. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el seguidor solar o mecanismo para los movimientos se resuelve mediante una corona circular (13) que realiza el movimiento acimutal y un martinete (12) para ejecutar el movimiento cenital.
13. Método de montaje del disco solar paramétrico con estructura modular descrito en las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la secuencia de montaje del colector comprende las siguientes etapas:
• montaje de la primera subestructura (9) con la viga en forma de cruz grie- ga;
• posicionado del receptor (3) y del motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5), con el secundario (2) y la placa fotovoltaica (6);
• montaje sobre una mesa la mitad de los brazos de la subestructura segunda (10); terminados estos se colocan en su posición y se ultiman los otros ocho brazos apoyándose en los anteriores; • montaje de la segunda subestructura (10) en forma de estrella que sustentará el primario;
• montaje del concentrador primario (1 ) sobre la subestructura segunda (2);
• montaje del seguidor solar, montando la corona circular (13) y el martinete (12).
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