WO2012010723A1 - Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar - Google Patents

Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar Download PDF

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WO2012010723A1
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evaporable getter
tube
collector tube
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Juan Pablo NUÑEZ BOOTELLO
Noelia MARTÍNEZ SANZ
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention falls within the solar thermal energy sector, specifically within the developments of solar collector tubes and more in detail it focuses on the possible location of non-evaporable getters or vacuum evacuators within this type of collector tubes.
  • Getters are solid materials, alloys of different metals, capable of chemically absorbing gas molecules on their surface. They are widely used for a variety of applications such as particle accelerators, vacuum tubes, inert gas purification systems, and so on.
  • the non-evaporable getter of the invention will be used in a vacuum tube of those used as solar receivers.
  • these receivers consist of two concentric tubes between which the vacuum is generated.
  • the inner tube, through which the heating fluid circulates, is metallic and the outer tube is glass, usually borosilicate.
  • a bellows-shaped expansion compensating device is placed, so that it allows relative movement between the metal and glass tube, absorbing the tensions that would be created by the difference between the expansion coefficients of both and thus guaranteeing the vacuum.
  • this type of tube requires the installation of materials that detect and suppress hydrogen molecules that can be introduced into the vacuum zone. These molecules are produced by the thermal degeneration suffered by the oil that is used as a heat transfer fluid and circulates inside the metal tube, due to the high temperatures it reaches. These molecules end up passing through the metal tube and entering the vacuum zone, increasing thermal losses and consequently, significantly reducing the efficiency of the system.
  • alloys of the non-evaporable getter type are always installed in the vacuum zone so that, in the case of any H 2 molecule, it is captured by the surface of this material.
  • non-evaporable getter designs that are located in different locations within the vacuum zone.
  • An example is found in US Patent 2007034204 A1 of SCHOTT.
  • the non-evaporable getter is arranged in an outer annular space between the expansion compensating device and the glass-metal transition element.
  • the getter is protected from solar radiation incident by the glass-metal transition element and from the reflected radiation, by the expansion compensating device.
  • This arrangement has a series of drawbacks such as: increasing the minimum diameter of glass tube needed to house all these elements inside, subjecting the getter to the mechanical stresses suffered by the bellows expansion compensation or bellow, need to introduce the round getter pads in a sheath and with a protective mesh that rubs against the expansion compensation device and, in the case of needing more material to increase absorption, there is no choice but to increase the size or number of getter pads, which means increasing the diameter of the glass tube.
  • the assembly is very handmade and there is no way to automate it because, additionally, the tablets that form the getter are thin and very fragile.
  • the present invention aims to provide a new design for locating the non-evaporable getter of the absorber tubes so as to achieve even greater ease of assembly than in the previous one, while still solving all the described drawbacks of the state of the technique, even increasing the stiffness of the tube and without decreasing the efficiency of the system.
  • the invention consists of a new getter arrangement for solar collector tube, as well as several modifications in the rest of the tube, mostly at its ends, in accordance with this new arrangement.
  • the function of the non-evaporable getter despite its importance, does not interfere with the main purpose of the receiving tube, which is to maximize its thermal efficiency. Its disposition must allow this situation without compromising its function of guaranteeing the correct aging of the product.
  • the new glass tube is partially mirrored.
  • the mirrored zone becomes an optical surface with tolerances that must be minimized and controlled as excessive irregularities in this optical surface can cause the reflected rays to not reach the metal tube.
  • the mirror can be applied directly on the inner face of the glass tube or by mirroring directly on the outer face of the glass tube or by adding a thin film or mirror on any of the inner or outer faces of the glass tube.
  • the getter system of the invention is formed from standard pads without the need to make a particular manufacturing for this development that will adhere to the lower part of the covers, in that space that is due to the eccentricity, avoiding having to have a sheath and a protective mesh in which the tablets are housed.
  • Figure 1 represents a solution used by Solel Solar Systems Ltd and that involves having the non-evaporable getter (1) installed in the empty space between the glass tube (2) and the metal tube (3).
  • Figure 2 shows another solution of the same company, Solel Solar Systems Ltd, placing in this case the getter (1) in a device for holding the pads, which rests on two supports on the metal tube (3) and runs part of the tube longitudinally.
  • Figure 3 shows the tube designed by Schott.
  • the getter (1) is placed at one of the two ends, placing the pads in a ring-shaped clamping mesh.
  • FIG 5 in addition to the eccentricity between tubes (2, 3), a series of radial and equidistant ribs (5) are shown, with which the caps of the collecting tube would be manufactured to increase their stiffness.
  • the glass tube (2) is larger in diameter than the current commercial tubes and is partially mirrored and located eccentrically with respect to the metal tube, it also has a different coefficient of expansion than the latter, which is usually made of steel (3 ). Therefore, the expansion compensator element (bellow) (4) must allow, before the new thermal load defined above (description of the invention, point 3) the relative axial deformation between both tubes (2, 3), while cancels the relative displacements between the metal tube (3) and the glass tube (2).
  • the design is very similar, with a cover (8) of constant thickness and radial ribs (5), although in this case the ribs (5) change their geometry slightly and are provided with variable thickness, so that they are more thick at one end than the other.
  • the area that is closest to the center is finer, thus optimizing the geometry of the lid and minimizing the contribution of material.
  • the getter pads (1) as in the previous case, they can have any geometry because they adhere to the lid in the gaps between nerves (5), in the widest area due to the eccentricity of the tubes .
  • the design consists of making the cover (8) of variable thickness (6) according to the areas that require greater rigidity and adhering the getter pads (1) to the cover (8).
  • the pads (1) can have any geometry although in figure 9 all oval have been represented.

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Abstract

Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar, siendo el tubo colector de los que comprenden un tubo exterior de vidrio (2), un tubo interior metálico (3) por donde circula el fluido caloportador, una cámara de vacío entre ambos tubos y en los extremos, pastillas de getter no evaporable (1) que absorben las posibles moléculas de gas que originan pérdida de vacío entre el tubo interior (3) y el exterior (2) y sendas tapas (8) donde se coloca un dispositivo compensador de expansión tipo fuelle (4), denominado bellow,, los tubos interior metálico (3) y exterior de vidrio (2) se colocan de manera excéntrica, dejando una zona más amplia que otra en la tapa (8) siendo ese espacio más ancho el que se utiliza para la colocación, mediante pegado, de las pastillas de getter no evaporable (1). (Figura 7)

Description

NUEVA DISPOSICIÓN DE GETTER NO EVAPORABLE PARA TUBO COLECTOR
SOLAR
Sector técnico de la invención
La presente invención se encuadra dentro del sector de la energía termosolar, concretamente dentro de los desarrollos de tubos colectores solares y más detalladamente se centra en la posible ubicación de los getter no evaporables o evacuadores de vacío dentro de este tipo de tubos colectores.
Antecedentes de la invención
Los getters son materiales sólidos, aleaciones de diferentes metales, capaces de absorber químicamente moléculas de gas en su superficie. Son ampliamente usados para una variedad de aplicaciones como en aceleradores de partículas, tubos de vacío, sistemas de purificación de gas inerte, etcétera.
El getter no evaporable de la invención será utilizado en un tubo de vacío de los que se emplean como receptores solares. En general, estos receptores constan de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera el 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 un dispositivo compensador de expansión en forma de fuelle, de manera que permite el movimiento relativo entre el tubo metálico y de vidrio, absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia existente entre los coeficientes de dilatación de ambos y garantizando así el vacío.
Además del dispositivo compensador de expansión, este tipo de tubos requiere la instalación de materiales que detecten y supriman las moléculas de hidrógeno que pueden introducirse en la zona del vacío. Estas moléculas se producen por la degeneración térmica que sufre el aceite que se utiliza como fluido caloportador y que circula por el interior del tubo metálico, debido a las altas temperaturas que alcanza. Estas moléculas acaban pasando a través del tubo metálico y entrando en la zona de vacío, aumentando las pérdidas térmicas y en consecuencia, disminuyendo de manera importante la eficiencia del sistema.
Es por eso que siempre se instalan aleaciones del tipo getter no evaporable en la zona de vacío para que, en el caso de que haya alguna molécula de H2, sea captada por la superficie de este material.
En los desarrollos conocidos hasta el momento existen diferentes diseños de getter no evaporables que se ubican en distintas localizaciones dentro de la zona de vacío. Un ejemplo se encuentra en la patente US 2007034204 A1 de SCHOTT. En este documento el getter no evaporable está dispuesto en un espacio anular exterior entre el dispositivo compensador de expansión y el elemento de transición vidrio-metal. El getter es protegido de la radiación solar incidente por el elemento de transición vidrio- metal y de la radiación reflejada, por el dispositivo compensador de expansión. Así pues, queda una estructura que radialmente, de dentro a fuera, está compuesta por el tubo de metal, elemento de conexión, dispositivo compensador de expansión, getter no evaporable, elemento de transición vidrio-metal y tubo de vidrio.
Esta disposición tiene una serie de inconvenientes como son: aumento del diámetro mínimo necesario de tubo de vidrio para albergar todos esos elementos en su interior, someter al getter a los esfuerzos mecánicos que sufre el fuelle de compensación de expansión o bellow, necesidad de introducir las pastillas redondas de getter en una vaina y con una malla protectora que roza con el dispositivo de compensación de expansión y, en el caso de necesitar más cantidad de material para aumentar la absorción, no queda más remedio que aumentar el tamaño o el número de las pastillas de getter, lo que implica aumentar diámetro del tubo de vidrio. Además, como sólo se instala en uno de los dos extremos del tubo, supone que el tubo tenga distinta geometría a ambos lados. Por todo ello, el montaje es muy artesanal y no hay forma de automatizarlo pues, adicionalmente, las pastillas que forman el getter son finas y muy frágiles.
Otro ejemplo se encuentra en el desarrollo de la empresa SOLEL SOLAR SYSTEMS LTD, que ubica los getter a lo largo del tubo, alejándose de las tapas, como en el documento IL153872 A, donde coloca un soporte dentro del área de vacío y a lo largo del tubo absorbedor donde coloca las pastillas de getter. Eso conlleva a una pérdida de eficiencia pues se disminuye radicalmente la superficie útil para captación de radiación solar.
Así pues, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un nuevo diseño para ubicar el getter no evaporable de los tubos absorbedores de manera que se consiga todavía mayor facilidad de montaje que en el anterior, sin dejar de solventar todos los inconvenientes descritos del estado de la técnica, incluso aumentando la rigidez del tubo y sin disminuir la eficiencia del sistema.
Descripción de la invención La invención consiste en una nueva disposición de getter para tubo colector solar, así como varias modificaciones en el resto del tubo, mayoritariamente en sus extremos, acordes con esta nueva disposición.
La función del getter no evaporable, a pesar de su importancia, no ha de interferir con el principal propósito del tubo receptor que es la de maximizar su rendimiento térmico. Su disposición ha de permitir esta situación sin comprometer su función de garantizar el correcto envejecimiento del producto.
Como se ha comentado anteriormente, por sus diversas ubicaciones en el estado de la técnica, originaba una geometría de carcasa diferente en cada uno de los dos extremos para poder alojarlo, que a su vez condicionaba el valor del diámetro del cilindro de vidrio o borosilicato.
Para solventar los problemas encontrados en el estado de la técnica conocido, se han desarrollado nuevas propuestas de diseño vinculadas a la geometría y disposición, tanto del tubo colector, como del conjunto de getters no evaporables. Estas nuevas propuestas son:
1. Nueva geometría con tubo metálico similar al actual pero con tubo de vidrio de mayor diámetro y con una excentricidad definida respecto al tubo metálico en función de la óptica del colector. La excentricidad del tubo permite mejorar el comportamiento óptico del tubo receptor por cuanto el tubo de vidrio puede aprovecharse como sustrato para añadir un reconcentrador de la radiación solar mediante un espejado parcial, que se comenta a continuación.
2. El tubo de vidrio nuevo está parcialmente espejado. La zona espejada se convierte en una superficie óptica con tolerancias que deben ser minimizadas y controladas pues irregularidades excesivas en esta superficie óptica pueden provocar que los rayos reflejados no alcancen el tubo metálico. El espejado puede aplicarse directamente sobre la cara interior del tubo de vidrio o espejando directamente sobre la cara exterior del tubo de vidrio o añadiendo un film o espejo fino sobre cualesquiera de las caras interior o exterior del tubo de vidrio.
3. La radiación solar llega al tubo metálico en todo el perímetro. La distribución de flujo no es uniforme en el perímetro; el flujo de calor es mayor en el perímetro que se encuentra directamente enfrentado al reflector primario. Estas nuevas condiciones de contorno provocan que el estado tensional generado ante esta nueva carga térmica sea diferente de la conocida en el estado de la técnica. 4. El tubo metálico y el tubo de vidrio deben estar en sección siempre en la misma posición pues cualquier desplazamiento relativo puede provocar que los rayos se escapen. Como el tubo metálico y el tubo de vidrio tienen coeficientes de dilatación térmica diferentes y la geometría de los tubos cambia, el elemento compensador de dilataciones (bellow) deberá permitir, ante la nueva carga térmica definida en el punto 3, la deformación axial relativa entre ambos tubos, a la vez que se asegure el control de los desplazamientos relativos entre el tubo metálico y el de vidrio fuera de su eje. Para ello un nuevo concepto de bellow debe ser desarrollado con frontal con espesores variables y rigidizaciones locales (nervios).
5. Nuevo concepto de getter. La nueva geometría de bellow origina nuevos conceptos de disposición de las pastillas de getter así como la excentricidad de los tubos, generan un espacio libre en las tapas que se aprovechará para la nueva ubicación del getter, de manera que se solventen los problemas encontrados en el estado de la técnica con las disposiciones anteriores.
Conocidas las necesidades en cuanto a la cantidad de materia de getter para tubos de 4 m. de longitud y una vida media de 25 años de planta, si esta cantidad se reparte entre los dos extremos del tubo, ya no es necesario recurrir a su disposición en una parte exterior del tubo receptor, ni se requerirían geometrías toroidales en ambos extremos. De esta forma se puede optimizar un espacio que de otra forma se perdería al no utilizar más que un lado del tubo receptor para ubicarlos.
Con respecto a la geometría, el sistema de getters de la invención se forma a base de pastillas estándar sin necesidad de hacer una fabricación particular para este desarrollo que se van a adherir a la parte baja de las tapas, en ese espacio que queda debido a la excentricidad, evitando el tener que disponer de una vaina y una malla protectora en la que se albergan las pastillas.
Además, de esta manera se mantiene una simetría en el tubo puesto que ambos extremos del tubo quedan idénticos, suponiendo esta simetría una ventaja térmica y de fabricación, gracias a la unificación de componentes.
También se logra una optimización del tubo, utilizando el hueco de la tapa que se crea debido a la excentricidad existente entre el tubo metálico interno y el tubo de vidrio externo.
Esta nueva disposición también implica que si se quiere aumentar la cantidad de getter, no se requiere más que aumentar el número de pastillas que se adhieren a la tapa, pues en ese sentido hay espacio suficiente, y se evita el tener que aumentar el diámetro del tubo de vidrio para añadir más pastillas, con la ventaja añadida de que el presente desarrollo admite pastillas de cualquier geometría.
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. Estado de la técnica Solel Solar System
Figura 2. Estado de la técnica Solel Solar System LTD (IL153872 A)
Figura 3: Estado de la técnica Schott (US 2007034204 A1)
Figura 4: Excentricidad de los tubos de la invención
Figura 5: Perspectiva interior del extremo del tubo
Figura 6: Perspectiva exterior del extremo del tubo
Figuras 7-9: Diseños alternativos de los extremos del tubo
Las referencias que en las figuras aparecen representan:
(1) Getter no evaporable
(2) Tubo exterior de vidrio
(3) Tubo interior metálico
(4) Dilatador o elemento compensador de expansión o bellow
(5) Nervios
(6) Zonas de espesor variable
(7) Zona espejada
(8) Tapa del tubo colector solar
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir la nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar, según una serie de realizaciones preferentes.
Para lograr una mejor comprensión de la problemática existente en la actualidad, se muestran en las figuras 1-3 distintos diseños del estado de la técnica (las referencias de dichas figuras no se corresponden con las originales, se han unificado para mejor comprensión del documento).
La figura 1 representa una solución utilizada por la empresa Solel Solar Systems Ltd y que implica el tener el getter no evaporable (1) instalado en el espacio vacío que queda entre el tubo de vidrio (2) y el tubo metálico (3). La figura 2 muestra otra solución de la misma empresa, Solel Solar Systems Ltd, situando en este caso el getter (1 ) en un dispositivo de sujeción de las pastillas, el cual se apoya sobre dos soportes sobre el tubo metálico (3) y recorre parte del tubo en sentido longitudinal.
En la figura 3 se muestra el tubo ideado por Schott. En este se sitúa el getter (1) en uno de los dos extremos, metiendo las pastillas en una malla de sujeción en forma de anillo.
En cuanto a la invención que aquí se reivindica se caracteriza, entre otros aspectos, por la excentricidad existente entre el tubo metálico (3) y el tubo de vidrio (2), tal y como se observa en las figuras 4 a 6.
En las figuras 4 y 6 se observa la excentricidad comentada así como se aprecia, en el caso de la figura 4, la zona del tubo de vidrio (2) que se espeja (7), para mayor captación de la radiación solar.
En la figura 5 además de la excentricidad entre tubos (2, 3) se muestran una serie de nervios (5) radiales y equidistantes con los que se fabricarían las tapas del tubo colector para aumentar su rigidez. El tubo de vidrio (2) es de diámetro mayor al de los tubos comerciales actuales y está parcialmente espejado y situado de manera excéntrica respecto al tubo metálico, además tiene un coeficiente de dilatación diferente a este último, que normalmente se fabrica en acero (3). Por tanto, el elemento compensador de dilataciones (bellow) (4) deberá permitir, ante la nueva carga térmica definida anteriormente (descripción de la invención, punto 3) la deformación axial relativa entre ambos tubos (2, 3), a la vez que anula los desplazamientos relativos entre el tubo de metálico (3) y el de vidrio (2).
Otra forma de aumentar la rigidez de las tapas sería fabricar estas con espesor variable dependiendo de la zona de la tapa de que se trate.
Incluso se pueden combinar ambas soluciones para asegurar una rigidez completa del sistema.
En las figuras 7-9 se muestran tres diferentes soluciones para la invención reivindicada.
En el caso de la figura 7 se representan dos vistas, alzado y sección por A, para una configuración en la que la tapa (8) tiene espesor constante pero se le han añadido una serie de nervios (5) radiales. En la tapa (8), donde hay mayor espacio debido al mayor diámetro del tubo de vidrio y a la excentricidad de los tubos (2, 3), se han pegado las pastillas de getter (1) las cuales, gracias a este ventajoso método de colocación, admiten cualquier tipo de geometría y no requieren ningún elemento adicional de sujeción.
En la figura 8 el diseño es muy similar, con tapa (8) de espesor constante y nervios (5) radiales, aunque en este caso los nervios (5) cambian su geometría ligeramente y se les proporciona espesor variable, de manera que sean más gruesos por un extremo que por el otro. En el caso de la realización preferente es más fina la zona que está más cerca del centro, optimizando así la geometría de la tapa y minimizando el aporte de material. En cuanto a las pastillas de getter (1), al igual que en el caso anterior, pueden tener cualquier geometría pues se adhieren a la tapa en los huecos entre nervios (5), en la zona más ancha debida a la excentricidad de los tubos.
En la figura 9 el diseño consiste en realizar la tapa (8) de espesor variable (6) según las zonas que requieran mayor rigidez y adherir las pastillas de getter (1) a la tapa (8). Las pastillas (1) pueden tener cualquier geometría aunque en la figura 9 se han representado todas ovaladas.
Aunque no esté representado en ninguna figura, se podría contar con otro diseño en el que la tapa (8) tuviese espesor variable (6) y además nervios (5) y las pastillas de getter (1) se pegarían en los huecos.
Esta nueva disposición de getter no evaporable está diseñado especialmente para su aplicación en tubos de vacío receptores de energía solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar, siendo el tubo colector de los que comprenden un tubo exterior de vidrio (2), un tubo interior metálico (3) por donde circula el fluido caloportador, una cámara de vacío entre ambos tubos y en los extremos, pastillas de getter no evaporable (1) que absorben las posibles moléculas de gas que originan pérdida de vacío entre el tubo interior (3) y el exterior (2) y sendas tapas (8) donde se coloca un dispositivo compensador de expansión tipo fuelle (4), denominado bellow, caracterizado porque los tubos interior metálico (3) y exterior de vidrio (2) se colocan de manera excéntrica, dejando una zona más amplia que otra en la tapa (8) siendo ese espacio más ancho el que se utiliza para la colocación, mediante pegado, de las pastillas de getter no evaporable (1)·
2. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque la tapa (8) se refuerza con una serie de nervios radiales (5).
3. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 2 caracterizado porque los nervios (5) son equidistantes.
4. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 2 caracterizado porque los nervios (5) son de espesor variable.
5. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 4 caracterizado porque el extremo más fino del nervio (5) es el que está más cerca del centro de la tapa (8).
6. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque la tapa (8) es de espesor variable (6) según las distintas zonas.
7. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 1 caracterizado porque la tapa (8) es de espesor variable (6) y además tiene nervios (5).
8. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 2 ó 7 caracterizado porque las pastillas de getter (1) se adhieren en el espacio que queda libre entre los nervios (5).
9. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque a una zona del tubo exterior de vidrio (2) se le realiza un espejado (7).
10. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado porque el espejado puede aplicarse directamente sobre la cara interior del tubo de vidrio.
11. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado porque el espejado se realiza directamente sobre la cara exterior del tubo de vidrio.
12. Nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar según reivindicación 9 caracterizado porque el espejado se realiza añadiendo un film o espejo fino sobre cualesquiera de las caras interior o exterior del tubo de vidrio.
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