WO2014106677A1 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada - Google Patents

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WO2014106677A1
WO2014106677A1 PCT/ES2013/070823 ES2013070823W WO2014106677A1 WO 2014106677 A1 WO2014106677 A1 WO 2014106677A1 ES 2013070823 W ES2013070823 W ES 2013070823W WO 2014106677 A1 WO2014106677 A1 WO 2014106677A1
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radiation
rear wall
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José María MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA
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Universidad Politecnica de Madrid
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/80—Accommodating differential expansion of solar collector elements
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention falls within the field of solar power plants that require concentration of the original radiation, which is reflected by a series of mirrors, of varying characteristics, with one or two orientable axes having each mirror for solar tracking.
  • the invention deals specifically with the collectors or receivers, which are the components in which a fluid absorbs the thermal energy provided by the radiation; and more specifically it deals with those in which the fluid circulates inside tubes, generally parallel to each other; which can have a vertical position, if they are integrated in a central tower, or horizontal position, for example in the assembly called Fresnel of reflection.
  • the tubes form a radiation capture screen, which is absorbed on that surface of the tubes, facing the outside, and the heat passes through conduction inside the tube and by convection, to the heating fluid that circulates inside.
  • the invention has an immediate background, particularly in patent ES2345427 B2, which deals with a solar radiation receiving device reflected by longitudinal mirrors, and ES2356549, which is a multi-tube receiver in which the circuits can be varied depending on the objectives. heating
  • the first inventor of these patents is the same one that signs the present application. He is also the signatory of the patent ES2321576 B2, which presents a multitube manifold of compensated expansion and pressure, and of the application P201201056, which is a housing for housing a bundle of parallel and contiguous tubes, in which the input and output of each fluid circuit is made by the same end of the housing, and at the opposite end, closed, the consecutive tubes of a circuit are joined by a U-conduction.
  • the first-mentioned patent, ES2345427 B2 uses one or more contiguous tube bundles, which form a radiation screen, and do not need a secondary reflector of any kind.
  • the tubes of a multitube receiver are illuminated only by the outer face, which produces a thermal gradient in a circumferential direction, partially mitigated by the internal convection itself, but which produces deformation and fatigue in the tube.
  • the multi-tube receivers have to cover the entire surface that will be illuminated by the incident radiation, and in turn the radius of the tubes should be adjusted to the optimum of the thermal performance of the heat fluids, and that may pose incompatible solutions.
  • the problem to be solved is to find an optical-geometric arrangement that allows to leave slack between neighboring tubes, without such a strike becoming a radiation loss channel that does not directly affect the tubes, and which could be directly reflected in the back wall of the collector, escaping the end of interest, which is the absorption of radiation in the tube bundle.
  • the objective pursued is, therefore, to devise an arrangement of tubes and of a wall behind them, with reflective characteristics and specified geometry, which allows the tubes to be separated from each other without losing radiation from the one originally affected.
  • the invention is located in a housing that serves as a solar radiation receiver from a field of mirrors of any configuration, whether they are mirrors of one axis in solar tracking, Fresnel type of reflection, or if they are two axes in the rotation of the mirror for tracking the sun, which is the case of heliostat fields for central tower lighting; the invention consisting in that the tubes of the receiver are arranged parallel to each other, and parallel to the wall of the collector that is behind said tubes in the direction of incidence of the radiation, or rear wall, said rear wall being covered with a reflective element , selected from metallized paper or any substance that is heat stable and reflective at the application temperature of the invention,
  • said rear wall being closer to the tube bundle than a boundary position, or at most in the boundary position, said boundary position of said trailing wall defined in a straight section of the manifold, perpendicular to the pipes,
  • T (S / tgA) - R
  • tg A (C 2 - 1) 1 2
  • T ((R + (H / 2)) / (C 2 - 1) 1 2 ) - R
  • the real distance L being between the rear wall and the rearmost generatrices of the tubes, less than or equal to the limit distance T.
  • the invention includes that in each segment of this type, in the areas of the rear wall that correspond to a gap between tubes, a longitudinal prism whose straight section is a symmetrical double wedge, which starts at each wall is arranged as a protrusion of the wall.
  • the beam tangent to a cylinder and normal to the original plane of the back wall produces a reflection whereby its reflected beam goes in the direction of incidence towards the center of the subsequent tube to which it is tangent, on the other side.
  • This trajectory can impact with the tube itself to which the original beam has been tangent, when the back wall is very close to the tubes, or it will impact with said subsequent tube in the opposite case, but it cannot escape from the radiation cage that represents the tube set
  • Another characteristic contemplated in the invention is the maximum value of the angle of incidence of the original radiation, with respect to the virtual line normal to the back wall.
  • the technical criterion of the invention is that the actual distance L between the rear wall and the rear generatrices of the tubes must not be less than what is necessary to equalize the opening of the incident radiation in the receiver.
  • sunlight since the Sun is not for us a point, but a disk, has a natural opening of 9 millirradians; which is amplified by the characteristics of the mirrors, being able to reach 15, 20 or more opening millirads, this magnitude being taken as the minimum standard to determine the value of L.
  • the reflection from the base of the wedge is R to the point of minimum distance, which is L
  • the product of the radius R is set as a minimum value of this distance by twice the opening of natural sunlight, 0.018 radians, that is
  • Figure 1 corresponds to the state of the art and shows a diagram, in straight section, of a multi-tube solar collector, as presented in document ES2345427 B2.
  • Figure 2 also corresponds to the state of the art, according to patent ES2321576 B2, and shows the frontal scheme of a bundle of tubes in a compensated expansion and pressure manifold.
  • Figure 3 shows a cross-section of a receiver or collector of trapped radiation, as presented in this document, with the prescriptions of the invention, for the boundary position of the rear wall.
  • Figure 4 shows a complete cross-section of the same receiver, indicating several significant ray paths, its entrapment being appreciated for having an impact on the rear faces of the tubes.
  • Figure 5 shows a cross-section similar to Figure 3 but with greater separation of tubes and complementary identifications of the geometric elements involved.
  • Figure 6 shows a section analogous to the previous one, but for a case of pipes away from each other with respect to the opening of the incident radiation.
  • Segment that expresses the distance between the rear generatrices of the tubes and the back wall 14, which must be less than or equal to the T value, which corresponds to the limit position.
  • Step, called P between tubes, corresponding to the segment between points 47 and 48.
  • Angle, called B used to define the wedge angle, G (50).
  • the tubes themselves can be made of carbon steel, alloy steel, or any other material for use in thermal engineering.
  • the reflective coating of the wall can be made of metallic paper or thin sheet of specular type, and can be on a suitable thermal insulator, such as fiberglass or pressed rock fiber and presented in rigid flat blankets.
  • An elementary forecast in the application of the invention is to identify the way of replacing the reflective coating of the back wall and side closures, in the event of its degradation and loss of reflectivity, due, among other possible causes, to high temperatures reached in which chemical reaction mechanisms can be activated with the gas inside the collector.
  • this invention is essentially geometric, with optical repercussions, so it is advisable to verify prescriptions using laser telemetry or similar precision technique.
  • the external structural elements, of the support of the receiver, etc. are not the object of this invention, although logically they are essential so that the receiver formed according to these requirements can maintain its integrity and dimensions.

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Abstract

Dispositivo de múltiples tubos paralelos absorbentes de radiación solar, separados entre sí por un huelgo, al cual se le adiciona una pared posterior reflectante, separada de la parte trasera de los tubos en una distancia determinada, incluyendo en dicha pared unas protuberancias también reflectantes en forma de doble cuña, que coinciden con las zonas de huelgo, y cuyo ángulo de cuña está también especificado en función de la relación entre paso y diámetro de los tubos, y de los ángulos máximos de incidencia con que llega la radiación al receptor, desde el campo de espejos.

Description

RECEPTOR MULTI TUBULAR CON RADIACIÓN SOLAR ATRAPADA
DESCRIPCIÓN Sector de la técnica
La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que es reflejada por una serie de espejos, de características variadas, pudiendo tener uno o dos ejes orientables cada espejo para el seguimiento solar.
La invención trata concretamente de los colectores o receptores, que son los componentes en los que un fluido absorbe la energía térmica aportada por la radiación; y más concretamente trata de aquellos en los cuales el fluido circula por dentro de tubos, en general paralelos entre sí; que pueden tener posición vertical, si están integrados en una torre central, o posición horizontal, por ejemplo en el montaje denominado Fresnel de reflexión.
Los tubos forman una pantalla de captación de la radiación, que es absorbida en esa superficie de los tubos, cara al exterior, y el calor pasa por conducción dentro del tubo y por convección, al fluido calorífero que circula por su interior.
Antecedentes de la invención
La invención tiene antecedentes inmediatos, particularmente en la patente ES2345427 B2, que trata de un dispositivo receptor de radiación solar reflejada por espejos longitudinales, y la ES2356549, que trata de un receptor multitubo en el que los circuitos se pueden variar en función de los objetivos de calentamiento. El primer inventor de dichas patentes es el mismo que firma la presente solicitud. También es el firmante de la patente ES2321576 B2, que presenta un colector multitubo de dilatación y presión compensadas, y de la solicitud P201201056, que trata de una carcasa para alojar un haz de tubos paralelos y contiguos, en los cuales la entrada y salida de cada circuito de fluido se realiza por el mismo extremo de la carcasa, y en el extremo opuesto, cerrado, los tubos consecutivos de un circuito van unidos por una conducción en U. Existen varios documentos sobre colectores con tubos, como la solicitud internacional WO 2009/029277 A2, que plantea una configuración Fresnel convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones que se asemejen a las aquí presentadas; y la WO 2009/023063 A2, que trata de un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación, pero igualmente no aborda la misma problemática que esta solicitud. Otros documentos significativos con reflector secundario que se adapta a concentrar sobre un tubo la radiación que proviene del campo de espejos son la ES2364115(A1), que propone una forma específica de doble campana parabólica, en cuya línea focal se ubica el tubo receptor, y la FR2975473(A1) que emplea dos unidades paralelas, cada una con su tubo en la línea focal y reflector secundario de doble parábola, pero esencialmente es una repetición de la óptica geométrica de usar un tubo focal en el foco de una doble parábola, que es lo reivindicado en la ES23641 15.
La patente mencionada en primer lugar, ES2345427 B2, utiliza uno o varios haces de tubos contiguos, que forman una pantalla ante la radiación, y no necesitan reflector secundario de ningún tipo. Problema técnico a resolver
Los tubos de un receptor multitubo están iluminados sólo por la cara exterior, lo que produce un gradiente térmico en sentido circunferencial, parcialmente mitigado por la propia convección interna, pero que va produciendo deformación y fatiga en el tubo. Más aún los receptores multitubos tienen que cubrir toda la superficie que va a ser iluminada por la radiación incidente, y a su vez el radio de los tubos conviene que está ajustado al óptimo de las prestaciones térmicas de los fluidos caloríferos, y eso puede plantear soluciones incompatibles entre sí, teniendo en cuenta además que multiplicar el n° de tubos, haciéndoles más pequeños para mejorar sus coeficientes de convección, implica aumentar la pérdida de carga y la potencia de bombeo; mientras que aumentar su radio comporta reducir sensiblemente la potencia de bombeo, pero se incrementa notablemente el peso, lo cual puede tener efectos mecánicos y estructurales que incrementen el coste mucho; en especial si el fluido requiere alta presión, como son los gases, pues ello requiere espesores considerables en los tubos. Por tanto, el problema a resolver es encontrar una disposición óptico-geométrica que permita dejar holgura entre tubos vecinos, sin que dicho huelgo se constituya en un canal de pérdida de la radiación que no incide directamente en los tubos, y que podría reflejarse directamente en la pared de atrás del colector, escapándose del fin que interesa, que es la absorción de la radiación en el haz de tubos. El objetivo perseguido es, pues, idear una disposición de tubos y de pared posterior a ellos, con características reflectantes y geometría especificada, que permita separar los tubos entre sí sin perder radiación de la que incide originalmente. Descripción de la invención
La invención se ubica en una carcasa que sirve de receptor de radiación solar proveniente de un campo de espejos de la configuración que sea, tanto si son espejos de un eje en el seguimiento solar, tipo Fresnel de reflexión, como si son de dos ejes en el giro del espejo para el seguimiento el sol, cual es el caso de los campos de heliostatos para iluminación de torre central; consistiendo la invención en que los tubos del receptor se disponen paralelos entre sí, y paralelos a la pared del colector que está detrás de dichos tubos en el sentido de incidencia de la radiación, o pared posterior, estando recubierta dicha pared posterior de un elemento reflectante, seleccionado entre papel metalizado o cualquier sustancia que sea termoestable y reflectante a la temperatura de aplicación de la invención,
- situando dicha pared posterior en un plano virtual paralelo al plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras en el sentido de incidencia de la radiación,
- estando dicha pared posterior más cercana al haz de tubos que una posición limite, o como mucho en la posición límite, definida dicha posición límite de dicha pared posterior en una sección recta del colector, perpendicular a los tubos,
- estando dicha posición límite de la pared posterior en coincidencia con el plano virtual que coincide con los puntos de corte que existen, en dicha sección recta, entre cada tangente a dos tubos vecinos cualesquiera y la recta que es perpendicular a la recta que representa la pared posterior en dicha sección recta y a la vez pasa por el punto que representa el eje del segundo tubo que toca dicha tangente, tocando dicha tangente por la cara anterior del primer tubo al que toca, en el sentido de incidencia de la radiación, y tocando al segundo tubo por su cara posterior,
- llamando D al diámetro de los tubos, R al radio, H al huelgo dejado entre dos tubos consecutivos, P a la distancia entre ejes de dichos tubos, que es igual al diámetro más el huelgo, y por tanto P=D+H, y llamando semipaso S a la mitad del paso, y por tanto S=P/2, y, y llamando T a la distancia entre la posición límite de la pared posterior y el plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras,
- y expresando el valor de la distancia límite T en función de los datos geométricos del haz de tubos, llamando ángulo A al que tiene como coseno el valor del cociente entre el diámetro D y el paso P, y por tanto A=arc cos(D/P) = are eos (D/(D+H)),
- siendo el valor de la distancia límite, T, que existe como máximo entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, igual a la diferencia en la que el minuendo es el cociente del semipaso dividido por la tangente del ángulo A, y el sustraendo es el valor del radio R, y por tanto T= (S/tgA) - R
- que se puede reescribir como T = ((R+(H/2))/tgA) - R
- y a su vez al valor de la tg A se expresa en función del cociente entre el semipaso y el radio, denominado por C, siendo tg A = (C2 - 1)1 2, por lo cual la distancia límite T se expresa como T= ((R+(H/2))/(C2 - 1)1 2) - R
- siendo la distancia real L entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, menor o igual a la distancia límite T. Con la disposición expuesta se consigue atrapar una fracción de la radiación originaria que no incide directamente sobre los tubos, y es concretamente la que incide en la pared posterior en la zona que está justo detrás de los tubos, definiendo esta zona como el conjunto de segmentos de la recta que representa la pared posterior en la sección recta del colector, estando comprendidos cada uno de dichos segmentos entre los puntos donde inciden en dicha pared posterior las tangentes a cada tubo, por cada lado, que son a su vez normales a la pared posterior.
En la parte complementaria de la pared posterior, que corresponde a la que no está detrás de los tubos, se puede dar la reflexión en la pared posterior, saliendo el rayo reflejado sin incidir en ningún tubo, por lo que a efectos prácticos esos rayos se pierden. La invención incluye que en cada segmento de este tipo, en las zonas de la pared posterior que corresponden a un huelgo entre tubos, se dispone como protuberancia de la pared, un prisma longitudinal cuya sección recta es una cuña doble simétrica, que arranca por cada lado en el punto donde incide la tangente al tubo correspondiente y que es a la vez perpendicular a la pared posterior, alcanzando dicha cuña la máxima altura, M, de protuberancia hacia los tubos, justo en el centro del huelgo, siendo esta altura M igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente del ángulo de cuña, denominado ángulo G, definido en función de otro ángulo característico de la geometría del haz de tubos, o ángulo referente de dispersión, B, definido por ser su tangente igual al cociente entre un dividendo que es la suma del radio R más la distancia real L desde la línea trasera de los tubos hasta la pared posterior, y un divisor que es la suma del diámetro D, el radio R y el huelgo H, y por tanto
tg B= (R+L)/(3 R + H)
B= arc tg((R+L)/(3 R + H))
G = (90° - B)/2
M= (H/2)tgG
De esta manera, el rayo tangente a un cilindro y normal al plano original de la pared posterior produce una reflexión por la cual su rayo reflejado va en dirección de incidencia hacia el centro del tubo subsiguiente al que es tangente, por el otro lado. Esta trayectoria puede impactar con el propio tubo al que ha sido tangente el rayo original, cuando la pared posterior quede muy cerca de los tubos, o impactará con dicho subsiguiente tubo en caso contrario, pero no podrá escapar de la jaula de radiación que representa el conjunto de tubos.
Otra característica contemplada en la invención es el máximo valor del ángulo de incidencia de la radiación originaria, respecto de la recta virtual normal a la pared posterior. Caben dos alternativas, que pueden denominarse de tubos próximos y de tubos alejados, respectivamente, y quedan definidas por el criterio siguiente: si el máximo ángulo de incidencia de la radiación es mayor que el ángulo de incidencia de una recta tangente a dos tubos consecutivos, los tubos está próximos, siempre en sentido relativo a la radiación originaria; y si el máximo ángulo de incidencia de la radiación, correspondiente a su rayo extremo, es menor que el ángulo de incidencia de una recta tangente a dos tubos consecutivos, los tubos están alejados, y en este caso las cuñas simétricas tienen un ángulo que es la semisuma del ángulo máximo de incidencia de la radiación original y el ángulo de incidencia de la tangente a dos tubos, respecto de la normal al plano posterior, siendo la altura M de las cuñas igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente de este ángulo de cuña. Queda por último considerar la distancia mínima entre la pared posterior y las generatrices traseras de los tubos. Cuanto menor sea esa distancia, para un haz determinado de tubos, mayor es el valor máximo M de protuberancia de las cuñas, que incluso pueden llegar a interferir las trayectorias directas de los rayos incidentes, y al mismo tiempo se hace menos uniforme la radiación secundaria que impacta en la zona trasera de los tubos. La citada interferencia sólo llega ser efectiva para separaciones muy amplias entre tubos, superiores incluso a su diámetro. Para huelgos H menores que el radio, el valor de B no baja apreciablemente de 18,5°, cuya tangente es 1/3, por lo que el ángulo G no sube mucho de 36°, cuya tangente es 0,72; lo cual quiere decir que M= 0,36 H; y al ser H menor que R, la protuberancia no llega ni al nivel de los centros de los tubos. Esto sí puede pasar para huelgos amplios, mayores que el diámetro. En todo caso, hay un límite teórico en la definición de la cuña, y es G=45°, lo que implica tgG=1 y M=H/2; y si H es mucho mayor que D, sí puede haber notoria interferencia.
En todo caso, el criterio técnico de la invención es que la distancia real L entre la pared posterior y las generatrices traseras de los tubos no ha de ser menor que lo necesario para igualar la apertura de la radiación incidente en el receptor. Es bien conocido que la luz solar, al no ser el Sol para nosotros un punto, sino un disco, tiene una apertura natural de 9 milirradianes; la cual se amplifica por las características de los espejos, pudiendo llegar a 15, 20 ó más milirradianes de apertura, siendo esta magnitud la que se toma como estándar mínimo para determinar el valor de L. En concreto, teniendo en cuenta que la reflexión desde la base de la cuña dista R hasta el punto de mínima distancia, que es L, se fija como valor mínimo de esta distancia L el producto del radio R por el doble de la apertura de la luz solar natural, 0,018 radianes, es decir
L > 0,018-R.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 corresponde al estado del arte y muestra un esquema, en sección recta, de un colector solar de varios tubos, según se presenta en el documento ES2345427 B2.
La figura 2 también corresponde al estado del arte, según la patente ES2321576 B2, y muestra el esquema frontal de un haz de tubos en un colector de dilatación y presión compensadas. La figura 3 muestra un corte transversal de un receptor o colector de radiación atrapada, según presenta este documento, con las prescripciones de la invención, para la posición límite de la pared posterior.
La figura 4 muestra un corte transversal completo del mismo receptor, señalando varias trayectorias de rayos significativos, apreciándose su atrapamiento por incidir en las caras posteriores de los tubos.
La figura 5 muestra un corte transversal similar a la figura 3 pero con mayor separación de tubos e identificaciones complementarias de los elementos geométricos involucrados.
La figura 6 muestra un corte análogo al anterior, pero para un caso de tubos alejados entre sí respecto de la apertura de la radiación incidente. Modo preferente de realización de la invención
Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, anotando que las figuras 3, 4, 5 y 6 están descritas en una sección recta del receptor, en la cual se dibuja el haz de tubos según la horizontal del dibujo, e igualmente es horizontal la pared posterior, empleándose en ese sentido relativo los adjetivos horizontal y vertical, que no tienen por qué corresponder pues al horizonte y la vertical del lugar:
1. Carcasa del receptor de la radiación solar,
2. Haz de tubos que conforman el receptor, donde se absorbe la radiación solar concentrada.
3. Radiación solar concentrada proveniente de un campo de espejos.
4. Estructura de sujeción de los tubos respecto de la pared (posterior) de la carcasa (esta estructura no corre longitudinalmente a todo lo largo del receptor, sino que son simplemente tirantes y traviesas localizadas en sitios específicos, muy separados entre sí).
5. Elementos adicionales de la estructura 4, bien por separación de tubos de distinta temperatura, bien por cuestiones de peso.
6. Sujeción de la carcasa respecto de la estructura exterior.
7. Aislante de las paredes de la carcasa
8. Ventana transparente. 9. Juntas de la ventana.
10. Conexión de entrada del fluido calorífero en el receptor.
1 1. Distribuidor del fluido calorífero de entrada en los tubos del receptor.
12. Colector de salida del fluido calorífero desde los tubos del receptor.
13. Conexión de salida del fluido calorífero.
14. Pintura o cubierta reflectante que recubre interiormente a la pared posterior de la carcasa.
15. Cuñas reflectantes que forman protuberancias específicas en la pared 14.
16. Dos tubos consecutivos en el haz de tubos (2).
17. Ejes diametrales verticales de los tubos 16.
18. Tangentes a ambos tubos 16.
19. Puntos de corte entre los ejes 17 y las tangentes 18, en la sección recta del colector en la que se define la invención, y que marcan el plano donde debe situarse la cubierta reflectante 14 en su posición límite.
20. Ejes virtuales de simetría en los puntos medios de los huelgos.
21. Paredes reflectantes laterales de cierre de la cubierta reflectante 14.
22. Rayo incidente perpendicular a la pared posterior y tangente a uno de los tubos 16.
23. Rayo reflejado del rayo 22, que va en dirección al centro 24 del tubo siguiente al de la tangente.
24. Centro del tubo siguiente al de la tangente o rayo 22.
25. Bisectriz del ángulo de reflexión entre los rayos 22 y 23. Es perpendicular a la rampa de la cuña en la cual se produce la reflexión, y su ángulo de cuña se determina precisamente así.
26. Rampa de la cuña.
27. Rayo con punto de incidencia 28 en la zona de sombra tras un tubo, siendo la bisectriz 29 del ángulo de reflexión normal a la pared posterior, por lo que el rayo reflejado 30 no puede sino impactar con el tubo a cuya sombra está.
28. Punto de incidencia del rayo 27.
29. Normal a la pared posterior en el punto 28, que es la bisectriz de cualquier reflexión que se produzca ahí.
30. Rayo reflejado del rayo 27 en el punto 28.
31. Rayo con punto de incidencia 32 en la zona del huelgo, que por tanto se refleja según la normal a la rampa de la cuña,
32. Punto de incidencia del rayo 31 en una cuña. 33. Rayo reflejado en 32, que sale con una oblicuidad definida por el ángulo de la cuña para que impacte en el tubo siguiente al del huelgo.
34. Rayo reflejado de trayectoria muy similar al 33, pero que impacta en el punto 35 de la pared de cierre lateral, también reflectante.
35. Punto de la pared de cierre lateral 21.
36. Pared de la parte externa del colector, que da idea de la apertura de la radiación que proviene del campo de espejos.
37. Eje de los centros de los tubos, paralelo a la pared posterior.
38. Rayo procedente del campo de espejos, con mayor ángulo de incidencia respecto de la normal a la pared posterior, desde la izquierda.
39. Rayo procedente del campo de espejos, con mayor ángulo de incidencia respecto de la normal a la pared posterior, desde la derecha.
40. Normal a la rampa 26 de la cuña, en este caso particular de la reflexión de un rayo extremo.
41. Rayo incidente en la base de la normal 40, y paralelo al 38.
42. Rayo reflejado del 41 , con la misma inclinación que las tangentes dobles, 18.
43. Eje diametral de un tubo, normal a la pared posterior 14.
44. Punto que representa en el plano del dibujo a la generatriz trasera del cilindro que constituye la superficie de un tubo.
45. Punto de corte del eje 43 con la pared 14.
46. Segmento, denominado L, que expresa la distancia entre las generatrices traseras de los tubos y la pared posterior 14 , que ha de ser menor o igual que el valor T, que corresponde a la posición límite.
47. Centro de un tubo.
48. Centro de otro tubo, contiguo o vecino del anterior.
49. Paso, denominado P, entre tubos, correspondiente al segmento entre los puntos 47 y 48.
50. Ángulo de la cuña 15, denominado ángulo G.
51. Ángulo, denominado B, utilizado para definir el ángulo de cuña, G (50).
Para la aplicación de la invención y su materialización es preciso seleccionar el material a emplear, que ha de ser de alta absortividad a la radiación solar en el caso de la pintura, recubrimiento o tratamiento superficial de los tubos; y que ha de ser de alta reflectividad a dicha radiación solar en el caso del recubrimiento, pintura o tratamiento superficial de la pared posterior y de sus cierres laterales; que son los dos elementos a los que específicamente se les aplica la invención. Los tubos en sí pueden ser de acero al carbono, acero aleado, o cualquier otro material al uso en ingeniería térmica. El recubrimiento reflectante de la pared puede ser de papel metálico o chapa delgada de tipo especular, y puede ir sobre un aislante térmico adecuado, como la fibra de vidrio o fibra de roca prensada y presentada en mantas planas rígidas.
Las dimensiones de los tubos y del receptor se amoldarán a la aplicación que se trate, y por lo que corresponde a la invención sólo son específicas las dimensiones relativas, tomando como referencia el diámetro de los tubos. Aunque en las figuras se han presentado con paso y diámetro uniforme, en un mismo receptor puede haber diversas zonas que usen tubos de distinto diámetro separados por pasos diferentes, y las especificaciones de la invención se aplican independientemente en cada zona, estando separadas éstas por los cierres laterales (21).
Cuestión esencial es la disposición de las cuñas dobles, que se confeccionan del mismo material que la pared posterior, tanto en la superficie como en el sustrato. Para ello basta cortar en bisel las mantas rígidas en cuestión y adherirlas o coserlas lateralmente con grapas, entre si y a la pared posterior.
Una previsión elemental en la aplicación de la invención es la de identificar el modo de sustitución del recubrimiento reflectante de la pared posterior y cierres laterales, ante la eventualidad de su degradación y pérdida de reflectividad, debido, entre otras posibles causas, a las altas temperaturas alcanzadas en las cuales se pueden activar mecanismos de reacciones químicas con el gas existente dentro del colector.
Y es fundamental subrayar que esta invención es esencialmente geométrica, con repercusiones ópticas, por lo cual es aconsejable la verificación de prescripciones mediante telemetría láser o técnica de similar precisión. Los elementos estructurales exteriores, de soporte del receptor, etc, no son objeto de esta invención, aunque lógicamente son esenciales para que el receptor conformado según estas prescripciones pueda mantener su integridad y dimensiones.
En la aplicación presentada en la figura 3, la razón paso a diámetro, C=P/D, es igual a 1 ,22; lo que representa que tg A= 0,7. Ello se puede corroborar con el valor del ángulo A como arco cuyo coseno es 1/1 ,22; lo cual da A=35°. Ello lleva a un valor de T, como corresponde en la figura, de ((1 ,22/0,7)-1) R, es decir T=0,75 R.
En cuanto a la determinación de la cuña, el ángulo B de referencia es el arco cuya tangente es (1 ,75/3,44), que es 27°, a lo que corresponde un valor de G=31 ,5°, cuya tangente es 0,61 , lo cual conduce a un valor de M= 0,3 H = 0, 135-R.
En el caso de la figura 5 la separación es algo mayor, con un valor de C=1 ,353 (H=0,7 R); lo que conduce a tgA= 0,91 1 (A=42,3°) y a un valor de T= (1 ,353/0,91 1) -1 , en términos de R, es decir T= 0,485- R.
En cuanto a la cuña, B es el arco cuya tg es (1 ,5/3,7), lo que da 22°; que a su vez conduce a G= 34°, cuya tg es 0,677, y por tanto M= 0,34-H = 0,24-R. El caso de la figura 6 corresponde a una separación mayor, con C=2, y con una apertura de recepción de radiación que tiene menos ángulo de incidencia que las tangentes a los tubos (que inciden con 60°). Esto hace que para la determinación de T se siga el mismo procedimiento ya descrito, pero no así para la cuña, cuya normal ha de enviar el rayo reflejado con una pendiente igual a las tangentes dichas, lo que significa que esta normal ha de ser la bisectriz del ángulo de reflexión que se desea, que tiene como entrada el rayo extremo de la radiación que llega, cuya pendiente depende de la aplicación en cuestión, que en la figura 6 se concretan con ángulos de incidencia de 60° para la tangente a los tubos, de 48° para el rayo extremo, quedando por tanto la normal con 54°, que es lo que vale el ángulo G, por ser iguales (ángulos entre perpendiculares). En este caso la protuberancia de la cuña excede incluso al valor del radio.
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

REIVINDICACIONES
1 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada, ubicado en una carcasa o colector que sirve de receptor para la radiación proveniente de un campo de espejos de la configuración que sea, caracterizado porque los tubos del receptor se disponen paralelos entre sí, y paralelos a la pared del colector que está detrás de dichos tubos en el sentido de incidencia de la radiación, o pared posterior, estando recubierta dicha pared posterior de un elemento reflectante, seleccionado entre papel metalizado o cualquier sustancia que sea termoestable y reflectante a la temperatura de aplicación de la invención,
- situando dicha pared posterior en un plano virtual paralelo al plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras en el sentido de incidencia de la radiación,
- estando dicha pared posterior más cercana al haz de tubos que una posición limite, o como mucho en la posición límite, definida dicha posición límite de dicha pared posterior en una sección recta del colector, perpendicular a los tubos,
- estando dicha posición límite de la pared posterior en coincidencia con el plano virtual que coincide con los puntos de corte (19) que existen, en dicha sección recta, entre cada tangente (18) a dos tubos vecinos (16) cualesquiera y la recta que es perpendicular a la recta que representa la pared posterior (14) en dicha sección recta y a la vez pasa por el punto que representa el eje (17) del segundo tubo que toca dicha tangente, tocando dicha tangente por la cara anterior del primer tubo al que toca, en el sentido de incidencia de la radiación, y tocando al segundo tubo por su cara posterior,
- llamando D al diámetro de los tubos, H al huelgo dejado entre dos de ellos consecutivos, P a la distancia entre ejes de tubos, que es igual al diámetro más el huelgo, y por tanto P=D+H, y llamando semipaso S a la mitad del paso, y por tanto S=P/2, y R al radio, y llamando T a la distancia entre la posición límite de la pared posterior y el plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras,
- y expresando el valor de la distancia límite T en función de los datos geométricos del haz de tubos, llamando ángulo A al que tiene como coseno el valor del cociente entre el diámetro D y el paso P, y por tanto A=arc cos(D/P) = are eos (D/(D+H)),
- siendo el valor de la distancia límite, T, que existe como máximo entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, igual a la diferencia en la que el minuendo es el cociente del semipaso dividido por la tangente del ángulo A, y el sustraendo es el valor del radio R, y por tanto T= (S/tgA) - R
- que se puede reescribir como T = ((R+(H/2))/tgA) - R
- y a su vez al valor de la tg A se expresa en función del cociente entre el semipaso y el radio, denominado por C, siendo tg A = (C2 - 1)1 2, por lo cual la distancia límite T se expresa como T= ((R+(H/2))/(C2 - 1)1 2) - R
- siendo la distancia real L (46) entre la pared posterior (14) y las generatrices más traseras (44) de los tubos, menor o igual a la distancia límite T. 2 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según reivindicación primera, caracterizado porque en las zonas de la pared posterior que corresponden a un huelgo entre tubos, se dispone como protuberancia de la pared, un prisma longitudinal cuya sección recta es una cuña doble simétrica (15), que arranca por cada lado en el punto donde incide la tangente (22) al tubo correspondiente y que es a la vez perpendicular a la pared posterior (14), alcanzando dicha cuña la máxima altura, M, de protuberancia hacia los tubos, justo en el centro del huelgo, siendo esta altura M igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente del ángulo de cuña, denominado ángulo G, definido en función de otro ángulo característico de la geometría del haz de tubos, o ángulo referente de dispersión, B (51), definido por ser su tangente igual al cociente entre un dividendo que es la suma del radio R más la distancia real L desde la línea trasera de los tubos hasta la pared posterior, y un divisor que es la suma del diámetro D, el radio R y el huelgo H, y por tanto
tg B= (R+L)/(3 R + H)
B= arc tg((R+L)/(3 R + H))
G = (90° - B)/2
M= (H/2)tgG.
3 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque si el máximo ángulo de incidencia de la radiación correspondiente a su rayo extremo (38, 39), respecto de la recta virtual normal a la pared posterior, es menor que el ángulo de incidencia respecto de la misma recta normal a la pared posterior, de una recta tangente a dos tubos consecutivos (18), las cuñas simétricas tienen un ángulo (50) que es la semisuma del ángulo máximo de incidencia de la radiación original y el ángulo de incidencia de la tangente a dos tubos, siendo la altura M de las cuñas igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente de este ángulo de cuña.
4 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia real L (46) entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos ha de ser mayor que el producto del radio R por el doble de la apertura de la luz solar natural, 0,018 radianes, es decir
L > 0,018-R.
5 - Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en un mismo receptor puede haber diversas zonas que usen tubos de distinto diámetro separados por pasos diferentes, y las especificaciones de la invención se aplican independientemente en cada zona, estando separadas éstas por los cierres laterales (21).
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