WO2012085301A1 - Colector de energía solar térmica - Google Patents
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- WO2012085301A1 WO2012085301A1 PCT/ES2011/000352 ES2011000352W WO2012085301A1 WO 2012085301 A1 WO2012085301 A1 WO 2012085301A1 ES 2011000352 W ES2011000352 W ES 2011000352W WO 2012085301 A1 WO2012085301 A1 WO 2012085301A1
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Definitions
- the invention falls within the field of devices that absorb solar radiation, generally after being concentrated by an optical device. It is applicable in the energy production industry.
- the direct antecedent of this invention is the patent ES 2 321 576 B2.
- the present document discloses with respect to its main patent, that is, the aforementioned Spanish patent, an embodiment of the invention that involves a variant in terms of embodiment, derived directly from the original invention.
- the invention is based entirely on the cited patent, whose base manifold contains a plurality of collector ducts, generally tube bundles, solar radiation absorbers, previously concentrated by another device and incident in said absorber ducts, within which a heating fluid that collects the solar energy absorbed by said ducts.
- Both the mentioned conduits of heating fluid, and the collector as a whole, are arranged geometrically following the direction of interception of the concentrated solar radiation; the transparent window of the collector being located perpendicular to the central ray of the concentrated solar radiation, in the solar conditions that are considered nominal.
- the assembly of the absorber ducts contains an inlet end and an outlet end of the heating fluid. At said ends there are means for delivering the heating fluid to the collecting ducts, connected to the inlet ends of said absorbing ducts, and to their outlet ends.
- Said ducts are located inside an airtight drawer whose walls have a structure comprising an inner plate, an outer plate, and an intermediate volume between the inner and outer layers, filled with thermal insulating material.
- a front wall, an upper wall, a lower wall, two side walls, and a rear wall are distinguished in which at least part of the heat flow delivery means and at least part of the means of collection of the heat flow, in hermetic housings covered by joints of thermal and elastic insulating materials, which absorb deformations of said delivery means and means of collecting the heat flow, said deformations being 0.1% of the original measurements of those means; and the front wall having a surface opening for the passage of solar radiation towards the absorber ducts, said front opening being closed by a transparent cover.
- the invention consists in that at least one of the tanks, selected between the inlet tank and the outlet of the fluid from the internal duct bundle to the drawer, is embedded in the rear wall of the drawer away from the corresponding longitudinal end of the drawer.
- the invention can be applied to only one or both ends of the bundle of ducts or tubes.
- the circulation of fluid with the external circuit is completed through the tanks embedded in the rear wall of the drawer, which communicate with the external conduits that carry the fluid to the next drawer-collector, or to the last thermal end.
- the invention also has fixed rollers of thermal insulating material for resting the bundles of tubes, both in the longitudinal direction of the flow of the fluid, and in the transverse direction.
- FIGURES Figure 1 shows the straight section of a manifold whose pipes that conduct the heating fluid describe the round-trip path of the invention, and include the insulating rollers for resting the beams.
- Figure 2 shows the straight section of a manifold in which the round-trip trajectory is applied at both ends, with connecting parts between the round-trip and the return branch, and includes an intermediate cylinder or similar tank.
- the figures are not to scale, nor in a position that is suitable or reference, since being on scale would be impossible to visualize.
- the mentioned conduits are arranged geometrically following the direction of interception of the concentrated solar radiation; the transparent window of the collector being located perpendicular to the central ray of the concentrated solar radiation, in the solar conditions that are considered nominal.
- Collecting tubes which constitute the main branch of the internal circuit, the drawer (100) and is the area where the fluid that circulates inside it increases its enthalpy.
- Heavy-duty metal inner plate which forms the inside of the collector's drawer, coated, on the face that faces the inside of the drawer, by a painted or bonded coating (8), of very high reflectivity, greater than 90%.
- rollers of thermal insulating material that partially support the tubes by the bottom of the drawer 100, if it is arranged vertically.
- An alternative to this is to help support the tubes from above, with a hook crossed from side to side, having to be this thermally insulated hook.
- conduits generally tube bundles, solar radiation absorbers, previously concentrated by another device, and incident in said absorber conduits, within which a heating fluid circulates that collects the solar energy absorbed by said conduits, said dispositions being arranged collecting ducts following the direction of interception of concentrated solar radiation; the transparent window of the collector being located perpendicular to the central ray of the concentrated solar radiation, in the solar conditions that are considered nominal, and the whole of the collecting ducts comprising an inlet end and an outlet end of the heating fluid,
- the airtight drawer (100) comprises:
- a rear wall (7) in which at least part of the heat flow delivery means and at least part of the heat flow collection means are sealed in sealed housings covered by joints of thermal and elastic insulating materials that absorb deformations of said means of delivery and means of collecting the heat flow, these deformations being 0.1% of the original measurements of those means, and
- the collecting ducts are a plurality of collecting tubes (11) that form a beam parallel to the front wall (4) of the airtight drawer (100), and where the heat fluid delivery means are connected to the inlet ends of the collector tubes (1 1), and the heat fluid collection means are connected to the outlet ends of the collector tubes (11).
- the inlet tank (15) or the outlet tank (19), or both are located in positions away from their respective ends of the drawer (100), which materializes by arranging at the end of the main branch of tubes (11) a semi-toric tubular connection (105) for each tube, at the corresponding end where the displacement of the tank is to be applied, and adding a branch (106) parallel to the main one (1 1), but in the direction contrary to the latter, connecting said branch (106) with the tank (19) embedded in the rear wall of the drawer, through the corresponding connection (18), the fluid circulation being completed with the external circuit; and being able to have said circulation, and therefore the branches (106-109) of the tubes (1 1), any inclination, from the strictly horizontal to purely vertical.
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Abstract
Sistema constituido por un cajón hermético, dentro del cual se dispone un haz de tubos paralelos, que entran al cajón, y salen de él, a través de sendos tanques encastrados en la pared posterior del cajón, y cuyos tubos, en sus extremos, llevan piezas en U o similares, que revierten el flujo 180° sexagesimales, extendiéndose el ramal contrario cierto tramo, hasta conectar con el tanque correspondiente, que se emplaza lejos del extremo en cuestión, y cerca de la línea transversal central en la pared posterior del cajón.
Description
COLECTOR DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se encuadra en el campo de los dispositivos que absorben la radiación solar, generalmente tras haber sido concentrada por un dispositivo óptico. Es de aplicación en la industria de la producción energética.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El antecedente directo de esta invención es la patente ES 2 321 576 B2. El presente documento divulga respecto su patente principal, es decir, la mencionada patente española, un modo de realización de la invención que supone una variante en cuanto a modo de realización, derivado directamente de la invención original. Aquí se proponen mejoras constructivas en la disposición de algunos de los elementos que conforman la invención principal, que permiten optimizar el funcionamiento del colector solar.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se basa completamente en la patente citada, cuyo colector de base contiene una pluralidad de conductos colectores, generalmente haces de tubos, absorbedores de radiación solar, previamente concentrada por otro dispositivo e incidente en dichos conductos absorbedores, por dentro de los cuales circula un fluido calorífero que recoge la energía solar absorbida por dichos conductos. Tanto los mencionados conductos de fluido calorífero, como el colector en su conjunto, se disponen geométricamente siguiendo la dirección de interceptación de la radiación solar concentrada; ubicándose la ventana transparente del colector de forma perpendicular al rayo central de la radiación solar concentrada, en las condiciones solares que se consideren nominales. El conjunto de los conductos absorbedores contiene un extremo de entrada y un extremo de salida del fluido calorífero. En dichos extremos existen medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores, conectados a los extremos de entrada de dichos conductos absorbedores, y a sus extremos de salida.
Dichos conductos están ubicados en el interior de un cajón hermético cuyas paredes tienen una estructura que comprende una placa interior, una placa exterior, y un volumen intermedio entre las capas interior y exterior, relleno de material aislante térmico.
En el cajón hermético se distinguen una pared frontal, una pared superior, una pared inferior, dos paredes laterales, y una pared trasera en la cual quedan encastrados al menos parte de los medios de entrega del flujo calorífero y al menos parte de los medios de recogida del flujo calorífero, en alojamientos herméticos recubiertos por juntas de materiales aislantes térmicos y elásticos, que absorben deformaciones de dichos medios de entrega y medios de recogida del flujo calorífero, siendo dichas deformaciones del 0,1 % de las medidas originales de esos medios; y teniendo la pared frontal una abertura superficial para el paso de la radiación solar hacia los conductos absorbedores, estando cerrada dicha abertura frontal por una cubierta transparente.
La invención consiste en que al menos uno de los tanques, seleccionado entre el tanque de entrada y el de salida del fluido del haz de conductos interno al cajón, se encastra en la pared posterior del cajón en posición alejada del extremo longitudinal correspondiente del cajón. Esto se materializa disponiendo al final del ramal principal de tubos o conductos una conexión tubular semi-tórica para cada tubo, en el extremo correspondiente donde se va a aplicar el desplazamiento del tanque, añadiendo además al haz de conductos o tubos un ramal paralelo al principal, pero en sentido contrario al de éste, conectando dicho ramal contrario con el tanque encajado en la pared posterior del cajón, a través de la conexión correspondiente, describiendo el conjunto del circuito del fluido una trayectoria de ida y vuelta en cierto tramo de su longitud, con un codo semi-circunferencial, o en otra geometría que cambie el sentido de la marcha del fluido en 180 grados sexagesimales, en el extremo o extremos en cuestión del cajón longitudinal que encierra al circuito de conductos o tubos.
La invención cabe aplicarla a uno sólo o a ambos extremos del haz de conductos o tubos.
La circulación de fluido con el circuito exterior se completa a través de los tanques encastrados en la pared posterior del cajón, que comunican con los conductos exteriores que llevan el fluido hasta el siguiente cajón-colector, o hasta el fin térmico último.
La invención dispone igualmente de unos rodillos fijos de material aislante térmico para descanso de los haces de tubos, tanto en sentido longitudinal de la marcha del fluido, como en sentido transversal.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra la sección recta de un colector cuyos tubos que conducen el fluido calorífero describen la trayectoria de ida y vuelta de la invención, e incluyen los rodillos aislantes de descanso de los haces.
La figura 2 muestra la sección recta de un colector en el cual se aplica la trayectoria de ida y vuelta en ambos extremos, con piezas de conexión entre el ramal de ida y el de vuelta, e incluye un cilindro intermedio o depósito similar.
Procede señalar que las figuras no están a escala, ni tampoco en una posición que sea la idónea o de referencia, pues de estar a escala sería imposible su visualización. En cuanto a su inclinación respecto de tierra, los mencionados conductos se disponen geométricamente siguiendo la dirección de interceptación de la radiación solar concentrada; ubicándose la ventana transparente del colector de forma perpendicular al rayo central de la radiación solar concentrada, en las condiciones solares que se consideren nominales. MODOS PREFERENTES DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A efectos de mejor comprensión de la adición, se listan a continuación los elementos de la patente principal, que aparecen en los dibujos de este documento. La mayor parte de las referencias numéricas coinciden con las de la patente principal (ES 2 321 576 B2); y los elementos específicos de esta adición se denotan con las referencias 101-112:
1. Radiación solar incidente en el colector.
2. Cubierta transparente del cajón hermético.
3. Junta de cierre a presión de la cubierta transparente de la pared frontal del cajón hermético.
4. Pared frontal del cajón hermético.
5. Pared superior del cajón hermético.
6. Pared inferior del cajón hermético.
7. Pared trasera del cajón hermético.
8. Recubrimiento de la superficie interior y exterior de las paredes del cajón hermético.
11. Tubos colectores, que constituyen el ramal principal del circuito interno el cajón (100) y es la zona donde aumenta su entalpia el fluido que circula por su interior.
12. Superficie exterior de los tubos colectores (11) que es donde se absorbe la radiación.
15. Tanque de entrada de los medios de entrega del fluido calorífero.
16. Primera junta que recubre al tanque de entrada.
17. Primeros tubos de conexión de los medios de entrega del fluido calorífero.
18. Segundos tubos de conexión de los medios de salida del fluido calorífero.
19. Tanque de salida de los medios de salida del fluido calorífero.
20. Segunda junta que recubre el tanque de salida.
21. Tubos de salida del fluido calorífero del colector.
61. Placa interior metálica resistente, que conforma la parte interior del cajón del colector, recubierta, en la cara que da al interior del cajón, por un recubrimiento (8) pintado o adherido, de muy alta reflectividad, superior a 90 %.
62. Volumen intermedio entre las placas 61 y 63, relleno de material aislante térmico.
63. Placa exterior metálica resistente que conforma la parte exterior del cajón del colector.
100. Cajón hermético.
101. Rodillos de material aislante térmico que soportan parcialmente a los tubos por la parte inferior del cajón 100, si éste se dispone verticalmente. Una alternativa a esto es ayudar al soporte de los tubos desde arriba, con un gancho cruzado de lado a lado, teniendo que estar este gancho aislado térmicamente.
102. Rodillos laterales, de material aislante térmico que soportan parcialmente a los tubos por la parte que queda como inferior del cajón 100, si éste se dispone horizontalmente.
103. Tapa interior del marco frontal del cajón, donde se fijan los rodillos 102.
104. Tapa exterior del marco frontal del cajón (100).
105. Conexión tubular semi-circunferencial o de geometría que modifique el flujo del fluido en 180 0 sexagesimales.
106. Ramal de los tubos interiores que marcha de vuelta respecto del ramal principal (11).
107. Ramal de los tubos en el exterior del cajón, en el sentido del avance. Va aislado térmicamente.
108. Ramal de los tubos, perpendicular al 107, para formar una lira de dilatación. 109. Ramal de los tubos, perpendicular al 108, para completar así la lira de dilatación.
110. Codo final de la lira de dilatación de la tubería exterior del módulo colector precedente.
111. Conexiones con cilindros transversales intermedios, entre el ramal principal (11) y el opuesto (106, 112).
112. Ramal procedente del tanque de entrada (15) que marcha en sentido opuesto a la dirección de los tubos principales (11).
Para materializar la invención en la variante de esta adición, se parte de un cajón (100) con los elementos propios de la compensación de la presión y la dilatación, que en la patente principal (ES 2 321 576 B2) se describen, de la cual se extrae que el colector base comprende:
una pluralidad de conductos, generalmente haces de tubos, absorbedores de radiación solar, previamente concentrada por otro dispositivo, e incidente en dichos conductos absorbedores, por dentro de los cuales circula un fluido calorífero que recoge la energía solar absorbida por dichos conductos, estando dispuestos dichos conductos colectores siguiendo la dirección de interceptación de la radiación solar concentrada; ubicándose la ventana transparente del colector de forma perpendicular al rayo central de la radiación solar concentrada, en las condiciones solares que se consideren nominales, y comprendiendo el conjunto de los conductos colectores un extremo de entrada y un extremo de salida del fluido calorífero,
- medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores, conectados a los extremos de entrada de dichos conductos colectores, y
medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores, conectados a los extremos de salida de dichos conductos colectores, estando al menos parte de los medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores y al menos parte de los medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores ubicados en el interior de un cajón hermético (100), cuyas paredes tienen una estructura que comprende:
una placa interior (61) metálica resistente, recubierta, en la cara que da al interior del cajón, por un recubrimiento (8) pintado, de muy alta reflectividad, superior al 90 %
una placa exterior (63) metálica resistente, y entre las capas interior (61) y exterior (63)
un volumen intermedio (62) relleno de material aislante térmico
Por otro lado, el cajón hermético (100) comprende:
- una pared superior (5),
una pared inferior (6),
una pared trasera (7) en la cual quedan encastrados al menos parte de los medios de entrega del flujo calorífero y al menos parte de los medios de recogida del flujo calorífero en alojamientos herméticos recubiertos por juntas de materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben deformaciones de dichos medios de
entrega y medios de recogida del flujo calorífero, siendo estas deformaciones del 0,1% de las medidas originales de esos medios, y
una pared frontal (4) con una abertura superficial para el paso de la radiación solar (1) a los conductos colectores, estando dicha abertura superficial cerrada por una cubierta transparente (2) encastrada en la pared frontal (4) por intermediación de una junta de cierre a presión (3);
donde los conductos colectores son una pluralidad de tubos colectores (11) que forman un haz paralelo a la pared frontal (4) del cajón hermético (100), y donde los medios de entrega del fluido calorífero se conectan a los extremos de entrada de los tubos colectores (1 1), y los medios de recogida del fluido calorífero se conectan a los extremos de salida de los tubos colectores (11).
Sin embargo, en este caso, el tanque de entrada (15) o el de salida (19), o ambos, se emplazan en posiciones alejadas de sus extremos respectivos del cajón (100), lo cual se materializa disponiendo al final del ramal principal de tubos (11) una conexión (105) tubular semi-tórica para cada tubo, en el extremo correspondiente donde se va a aplicar el desplazamiento del tanque, y añadiendo un ramal (106) paralelo al principal (1 1), pero en sentido contrario al de éste, conectando dicho ramal (106) con el tanque (19) encajado en la pared posterior del cajón, a través de la conexión (18) correspondiente, completándose la circulación de fluido con el circuito exterior; y pudiendo tener dicha circulación, y por ende los ramales (106-109) de los tubos (1 1), cualquier inclinación, desde la estrictamente horizontal a puramente vertical.
La alternativa elemental, ya señalada, es aplicar esta disposición en ambos extremos, lo cual se expone en la figura 2. Esta disposición presenta la ventaja de que los efectos de la dilatación se compensan más linealmente que en el giro del tanque de entrada (15) o de salida (19), pero tiene el inconveniente de necesitar más longitud de tubos, como son los ramales de dirección opuesta a la principal (106, 1 12) y por ende un coste mayor en esa partida, y así mismo tener mayor pérdida de carga manométrica, lo que se traduce en necesitar mayor potencia de bombeo.
Por otro lado, y de cara a canalizar en los extremos la reversión de la dirección del flujo que caracteriza a la invención en esta variante, en vez de una pieza tubular semi-circunferencial (105) como se ha dicho, o una pieza en U, para la conexión entre el ramal principal (11) y el opuesto (106) se pueden emplear otras geometrías, tanto simétricas como asimétricas, incluyendo conexiones con cilindros transversales intermedios (1 1 1), según se muestra en la figura 2.
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.
Claims
1. Colector de energía solar térmica que comprende
una pluralidad de conductos colectores, generalmente haces de tubos, absorbedores de radiación solar, previamente concentrada por otro dispositivo e incidente en dichos conductos absorbedores, por dentro de los cuales circula un fluido calorífero que recoge la energía solar absorbida por dichos conductos, estando dispuestos dichos conductos colectores siguiendo la dirección de interceptación de la radiación solar concentrada; ubicándose la ventana transparente del colector de forma perpendicular al rayo central de la radiación solar concentrada, en las condiciones solares que se consideren nominales, y comprendiendo el conjunto de los conductos colectores un extremo de entrada y un extremo de salida del fluido calorífero,
medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores, conectados a los extremos de entrada de dichos conductos colectores, y
medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores, conectados a los extremos de salida de dichos conductos colectores, estando al menos parte de los medios de entrega del fluido calorífero a los conductos colectores, y al menos parte de los medios de recogida del fluido calorífero de los conductos colectores, ubicados en el interior de un cajón hermético (100), cuyas paredes tienen una estructura que comprende:
- una placa interior (61) metálica resistente, recubierta, en la cara que da al interior del cajón, por una capa (8) pintada o adherida, de muy alta reflectividad, superior al 90%
una placa exterior (63) metálica resistente, y entre las capas interior (61) y exterior (63)
- un volumen intermedio (62) relleno de material aislante térmico,
comprendiendo el cajón hermético (100):
una pared superior (5),
una pared inferior (6),
una pared trasera (7) en la cual quedan encastrados al menos parte de los medios de entrega del flujo calorífero y al menos parte de los medios de recogida del flujo calorífero, en alojamientos herméticos recubiertos por juntas (16, 20) de materiales aislantes térmicos y elásticos que absorben deformaciones de dichos medios de entrega y de recogida del flujo calorífero, siendo estas deformaciones del 0,1% de las medidas originales de esos medios, y
- una pared frontal (4) con una abertura superficial para el paso de la radiación solar (1) hasta los conductos colectores, estando dicha abertura superficial cerrada por una cubierta transparente (2) encastrada en la pared frontal (4) por intermediación de una junta de cierre a presión (3);
donde los conductos colectores son una pluralidad de tubos colectores (11) que forman un haz paralelo a la pared frontal (4) del cajón hermético (100),
- y donde los medios de entrega del fluido calorífero se conectan a los extremos de entrada de los tubos colectores (11) mediante el tanque de entrada (15), y los medios de recogida del fluido calorífero se conectan a los extremos de salida de los tubos colectores (11) mediante el tanque de salida (19);
caracterizado por que al menos uno de los tanques, seleccionado entre el tanque de entrada (15) y el de salida (19) del fluido del circuito de tubos interno al cajón, se encastra en la pared posterior del cajón en posición alejada del extremo correspondiente del cajón (100), disponiendo al final del ramal principal de tubos (11) una conexión (105) tubular semi-tórica para cada tubo, en el extremo correspondiente donde se va a aplicar el desplazamiento del tanque, y añadiendo un ramal (106) paralelo al principal (11), pero en sentido contrario al de éste, conectando dicho ramal contrario (106) con el tanque encajado en la pared posterior del cajón, a través de la conexión (18) correspondiente, aplicándose la misma configuración al otro extremo del circuito de tubos interior al cajón, disponiendo un ramal de entrada (112) opuesto al sentido propio de la marcha del fluido, siendo este ramal de entrada la conexión desde el tanque correspondiente (15) con el haz o haces de tubos principales (11), completándose la circulación de fluido con el circuito exterior, a través de los tanques encastrados en la pared posterior (7) del cajón (100).
2. Colector de energía solar térmica, según la reivindicación 1 , caracterizado por que en la conexión entre el ramal principal (11) y el opuesto (106) se puede emplear una geometría que cambia el sentido de la marcha del fluido en 180 grados sexagesimales, incluyendo conexiones con cilindros transversales intermedios (1 1) en el extremo correspondiente.
3. Colector de energía solar térmica, según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que se disponen unos rodillos fijos (101 , 102) de material aislante térmico para descanso de los haces de tubos, tanto en sentido longitudinal de la marcha del fluido, como en sentido transversal.
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