WO2015011303A1

WO2015011303A1 - Concentrador solar

Info

Publication number: WO2015011303A1
Application number: PCT/ES2014/000107
Authority: WO
Inventors: Rafael Monterreal Espinosa; Raúl Enrique Orts
Original assignee: Centro De Investigaciones Energéticas Medioambientales Y Tecnológicas (C.I.E.M.A.T)
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-01-29
Also published as: ES2428221A1; ES2428221B1

Abstract

Concentrador solar del tipo de los utilizados en plantas termosolares de receptor central, consistente en una superficie reflectante con geometría definida, discretizada dicha superficie en elementos especulares simples de menor tamaño y sin geometría definida denominados facetas (1), especialmente diseñados para que su disposición y mecanismo de amarre sobre una estructura soporte (2) conformada les proporcione la capacidad de adaptarse con un grado de libertad a la geometría de dicha superficie y, además, auto-alinearse para conseguir una determinada distribución de irradiancia solar sobre un blanco. El proceso tradicional de alineación de los heliostatos convencionales queda así completamente suprimido, reduciéndose la puesta a punto de la óptica del heliostato a su proceso de montaje, el cual, como efecto adicional de la invención, no demanda instrumentos de precisión ni técnicos cualificados, todo ello sin menoscabo de la calidad óptica del heliostato.

Description

CONCENTRADOR SOLAR

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un concentrador solar o helióstato denominado modular de óptica auto-alineada, cuyo cometido es el de eliminar el tradicional proceso de alineación (o canteo) de sus facetas, así como reducir costes y simplificar el montaje y la puesta a punto del campo solar. Como consecuencia del propio concepto, se logra asimismo mejorar la calidad óptica del helióstato. Adicionalmente, aquellas labores de mantenimiento del campo solar que comporten la reposición y realineación de facetas (roturas, corrosión, fin de vida útil), se verán asimismo simplificadas y mejoradas.

Antecedentes de la invención

El concentrador solar o helióstato de la invención puede ser utilizado en centrales eléctricas termo-solares de receptor central y, más específicamente, en los subsistemas denominados Campo de Heliostatos (o campo solar). Dichas centrales basan su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la reflexión especular y concentración de la radiación solar por un elevado número de heliostatos, sobre un subsistema denominado receptor solar (o caldera), responsable de la transferencia de la energía radiante a dicho ciclo. Las principales características funcionales de los heliostatos son la capacidad para concentrar y mantener la radiación solar en el receptor a lo largo del día, para lo cual se les dota de una superficie óptica reflectante, así como de estructura soporte sobre mecanismos de accionamiento, que le proporcionan movimiento en dos ejes y permite así el correcto apunte diurno.

El helióstato es, por lo anteriormente dicho, un sistema óptico formador de imágenes solares. Desde un punto de vista óptico, la formación de imágenes comporta aquí la presencia de una superficie especular dotada de una determinada geometría. Para un helióstato, donde uno de los hechos diferenciadores con el resto de sistemas solares de concentración (colectores cilindro-parabólicos, discos, etc.) es la mayor área de su superficie reflectante (en las actuales plantas electro-solares en producción, en el entorno de los 100m²), la construcción, montaje y puesta a punto de dicha superficie reflectante es sin duda su principal hándicap. Para abordar con ciertas garantías esta tarea, tradicionalmente se ha recurrido a dividir la superficie reflectante en elementos más pequeños, denominados facetas, que permitieran abordar su fabricación, transporte, montaje y posterior proceso de alineación, con suficientes garantías de viabilidad. Las facetas hasta ahora construidas han sido sistemas ópticos en sí mismos, dotados de geometría generalmente esférica o cilindrica, con una determinada distancia focal ajustada a su posición de trabajo en el campo de heliostatos; es decir, básicamente una focal determinada por su distancia al receptor solar. La construcción de facetas, bajo la premisa de lograr un sistema óptico bien definido (geometría, distancia focal) exige la intervención de personal cualificado, así como instrumentos de precisión con objeto de garantizar la calidad y repetitividad en la geometría y distancia focal resultantes que, por lo demás, todo componente industrial fabricado en serie exige. Para el conformado de facetas (figura 1) se hace necesaria la i intervención de instrumentos de precisión, como por ejemplo una mesa de conformación (figura 2). Con ayuda de un equipo de medida (taquímetro, láser, etc.) y unas dianas milimetradas se ajusta el tablero de la mesa con la focal deseada; sobre el tablero de la mesa se coloca el espejo, que lleva adherido en su parte posterior unas piezas de fijación (figura 3) y con una bomba de vacío se succiona el espejo y se

_> hace coincidir con el tablero, para posteriormente atornillar las piezas de sujeción al bastidor de la faceta (figura 4). Así fabricadas, las facetas deben ser fijadas a la estructura soporte del heliostato (figura 5) mediante algún mecanismo de sujeción. La puesta a punto del heliostato exige una nueva tarea sin la cual no alcanzaría éste nunca la calificación de sistema formador de imágenes. En efecto, puesto que cada

) faceta es, en sí misma, un sistema formador de imágenes solares, deben éstas de organizarse geométricamente para que haya una acción de conjunto en la reflexión y el heliostato se comporte como un sistema óptico único, proporcionando en consecuencia una única imagen del sol. Este procedimiento de organización geométrica de la óptica del heliostato se denomina alineación o canteo, y puede seguir

_> diferentes criterios ópticos dependiendo de qué distribución de irradiancia se pretenda conseguir. La alineación, en definitiva, dota de focal al heliostato. Se han desarrollado para tal fin dos modos de alineación diferentes: en el eje y fuera del eje. El primero de ellos supone que el sol, el heliostato y el blanco constituyen un sistema óptico centrado en un eje común (eje óptico del heliostato); las facetas se alinean de forma

) que los vectores directores de sus ejes ópticos coincidan con el vector normal a la superficie óptica teórica prevista para el heliostato; el segundo, organiza la disposición de las facetas para optimizar la convergencia de todas las imágenes individuales sobre el receptor solar en un determinado momento del día y del año, sin atender a ninguna ligadura geométrica. Las figuras 6, 7A, 7B, 8 y 9A, 9B muestran el efecto simulado de j un heliostato de doce facetas antes y después de alinear. Las figuras 7B y 9B representan la proyección del sol sobre un blanco de 12mx12m (es simplemente una pantalla blanca y cuadrada) luego de reflejarse en la superficie especular -discretizada en facetas- de un heliostato. La figura 7B corresponde a un heliostato cuyas facetas están sin alinear (se observan imágenes individuales del sol -una por cada faceta- distribuidas aleatoriamente sobre el blanco); la figura 9B corresponde al mismo heliostato, pero una vez alineadas las facetas, de forma que las imágenes individuales del sol se superponen en un solo punto sobre el blanco, dando como resultado un sola imagen del sol, con intensidad la suma de las intensidades de las facetas. Por tanto, lo que se tiene realmente en ambas figuras es una distribución bidimensional de irradiancia solar sobre un blanco cuadrado de dimensiones XY; matemáticamente se expresa como una función Z = f(X,Y) donde X,Y G [0, 12]m y Z G [0, max(f(X,Y))], donde f es la función que describe la irradiancia solar reflejada por el heliostato sobre el blanco. Por eso en las figuras aparece el metro [m] como unidad tanto en las ordenadas como en las abscisas (es la pantalla), y los distintos niveles de gris de los píxeles asociados a cada posición XY representan la intensidad en kW/m². En este ejemplo, se ve que la alineación de las facetas del helistato es un proceso de importancia capital, ya que dota de focal al heliostato convirtiéndolo así en un sistema óptico centrado en el eje. Desde el punto de vista del mantenimiento del campo de heliostatos, la re-alineación de facetas es una tarea que ha de seguir necesariamente a la reposición de éstas en caso de rotura, corrosión o fin de su vida útil, con lo que de instrumentación y personal cualificado ello conlleva.

Las técnicas o métodos tradicionales de alineación en el eje de heliostatos más utilizados han sido:

• Niveles de menisco de agua

• Láser 2f

• Inclinómetros

• Taquímetro

• Láser trazador de la óptica del heliostato

• Láser-tracker

Hándicaps comunes a todos ellos:

• Demandan instrumentación y personal cualificado.

• Su exactitud depende de la calidad y repetitividad de las facetas.

• Lentitud; se genera un cuello de botella en la puesta a punto del campo solar.

• Introducen un potencial error adicional en la calidad óptica de cada heliostato y, por tanto, en la eficiencia óptica del campo solar.

• Todos ellos exigen, generalmente, un posterior ajuste fino manual.

• Suponen una inversión adicional en la puesta a punto de la planta.

• Complican y encarecen el mantenimiento del campo de heliostatos en caso de reposición de facetas, ya que éstas han necesariamente de realinearse.

La invención propuesta tiene por objeto reemplazar el actual concepto de óptica del heliostato, por otro cuya novedad inventiva consiste en invertir las funciones asignadas hasta ahora a los componentes tradicionales de ésta, de tal forma que:

1. Las facetas ya no son sistemas ópticos formadores de imágenes solares, sino subsistemas especulares simples; es decir, elementos reflectantes sin geometría definida.

2. La estructura soporte de facetas asume ahora el papel relevante del nuevo concepto, de modo que no sólo es estructura portante de facetas, sino que está dotada de una geometría bien definida.

3. Las facetas ya no necesitan ser alineadas, sino que se auto-alinean en su estructura portante una vez que se fijan a ésta mediante un determinado mecanismo de sujeción. Es decir, de la propia etapa de montaje resultan ya alineadas las facetas.

Como resultado de este cambio de paradigma en el diseño de heliostatos:

a) Se reducen costes asociados a la fabricación de facetas.

b) Se elimina la etapa de alineación de facetas, con todos los hándicaps que comporta: necesidad de instrumentación y personal cualificado, error adicional de canteo, reducción del tiempo de puesta a punto del heliostato y, por tanto, de la totalidad del campo solar.

c) Como consecuencia de a) y b), se reducen costes asociados al montaje y puesta a punto del campo de heliostatos.

d) Se optimiza la eficiencia óptica del campo solar y, en consecuencia, la eficiencia global de la planta, redundando en el consiguiente aumento del beneficio económico a lo largo de su vida útil.

e) Se optimizan las tareas de reposición y realineación de facetas a lo largo de la vida útil del campo de heliostatos, contribuyendo así a la reducción de costes de mantenimiento del campo solar.

A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe:

- Alineación (o canteo) en el eje de un heliostato: Acción de orientar las facetas de tal forma que los vectores directores de sus ejes ópticos coincidan con el vector normal a la superficie óptica teórica prevista para el heliostato. La alineación dota de focal al helióstato, supuesta faceteada su superficie reflectante.

- Calidad óptica de un heliostato: Número de mérito que cuantifica la calidad del heliostato como sistema formador de imágenes solares

- Campo de helióstatos (o campo solar): También denominado concentrador primario, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un receptor de una planta termo-solar.

- Cuaderna: Perfil provisto de un mecanizado de precisión en al menos una de sus caras, así como de un sistema de anclaje capaz de generar una estructura geométrica de gran área mediante una determinada técnica de ensamblaje entre ellas.

- Distancia focal de un heliostato: Lugar sobre el eje óptico donde convergen los rayos reflejados de un haz que incida paralelamente a dicho eje.

- Eje óptico de un helióstato: Línea recta virtual que pasa por los centros de la óptica, blanco y Sol, supuestos alineados, y corta que ortogonalmente al plano de la estructura soporte del helióstato.

- Elementos especulares simples: Facetas sin geometría definida y, por tanto, sin capacidad de formación de imágenes solares.

- Energía solar: Energía radiante que proviene del Sol y llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características.

- Errores ópticos de un heliostato: Causas que deterioran la capacidad de formación de imagen de un heliostato, penalizando así su calidad óptica.

- Espejo de segunda superficie: Elemento reflectante en el que la superficie especular queda protegida del ambiente mediante su deposición entre una capa anterior de vidrio y capa posterior de recubrimiento protectivo.

- Facetas: Elementos especulares individuales de que se compone la superficie reflectante de algunos helióstatos. Usualmente son sistemas ópticos en sí mismos y, por tanto, con geometría definida y capacidad de formación de imágenes solares en un determinado blanco situado en su plano focal.

- Factor de ocupación del terreno de un campo solar: Cociente entre la superficie reflectante de éste y el área del terreno adquirido para su instalación.

- Heliostato: En plantas termosolares de torre, espejo de larga distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado receptor solar a lo largo del día. - Óptica auto-alineada de un heliostato: Superficie óptica faceteada de un heliostato cuya alineación deriva directamente del proceso de montaje, sin intervención de instrumentación ni técnicos cualificados.

- Óptica de un heliostato: Superficie reflectante con la que se equipa a un heliostato para dotarlo de capacidad formadora de imágenes solares sobre un determinado blanco.

- Planta termo-solar de receptor central: Planta de producción industrial de energía eléctrica que basa su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un receptor.

- Receptor solar: Dispositivo que intercepta y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferirla mediante un intercambiador de calor al ciclo termodinámico de una planta termo-solar.

- Sistemas ópticos formadores de imágenes solares: Superficies reflectantes dotadas de una determinada geometría que les permite reproducir la imagen reflejada del sol en un determinado blanco situado en su plano focal.

- Superficie eficaz de una cuaderna: De todas las caras de una cuaderna, aquélla que dispone de un mecanizado de precisión y donde se apoyan las facetas para su sujeción y asiento de su curvatura.

- Zona focal de un campo de helióstatos: Grupo de helióstatos de un campo solar cuyas facetas tienen la misma distancia focal.

- Zona paraxial (o de Gauss) de un sistema óptico: región del sistema óptico tal que la distancia de cualquiera de sus puntos al eje se considera despreciable frente a la distancia focal. En el caso del heliostato, toda su superficie reflectante se encuentra en zona paraxial, debido esencialmente a las grandes distancias focales que normalmente tienen estos concentradores.

En los helióstatos y campos de helióstatos más relevantes se constata que todos han sido sometidos a un proceso de alineación.

Los primeros helióstatos considerados como elementos industriales se desarrollaron a inicios de la década de los ochenta para las plantas experimentales termo-solares de receptor central, con el propósito de probar la viabilidad de la energía solar térmica en los procesos de producción de electricidad a escala industrial.

Los helióstatos convencionales consisten en una estructura mecánica portante de facetas previamente conformadas, y un conjunto de facetas que después se han sometido a un proceso de alineación sobre dicha estructura para generar la superficie óptica final.

En resumen, todos los heliostatos hasta ahora conocidos están compuestos por facetas que deben ser sometidas ex profeso a un proceso de alineación para la correcta configuración óptica del heliostato.

En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un heliostato de tal forma construido que el proceso de alineación de facetas quede suprimido, tanto en la fase inicial de montaje del campo solar, como en cualquiera de las ulteriores fases de reposición de facetas, ya sea por mantenimiento rutinario, ya por la completa sustitución de las facetas al término de su vida útil.

Descripción de la invención

Para alcanzar el objetivo propuesto, la óptica del heliostato objeto de la invención deberá, por un lado, simplificar el proceso de fabricación y montaje de facetas y, por otro, eliminar la tarea de alineación de éstas, tanto en la fase de puesta a punto inicial del heliostato, como en su etapa de mantenimiento del campo solar a lo largo de su vida útil. Todo ello podrá conseguirse combinando los siguientes elementos:

1. Una estructura soporte de facetas que disponga de una geometría bien definida y precisa (por lo general, pero no necesariamente, esférica), adaptada a la distancia focal de cada heliostato del campo solar, y cuyo diseño permita la modularidad, con objeto de que se facilite la fabricación serie y el transporte. Además, su ingeniería debería permitirle un montaje protocolizado inequívoco y sencillo, donde no intervengan instrumentos de precisión ni personal técnico especializado. Esta estructura podrá ser auto-portante o sostenida, en función de las dimensiones del área exigida por la superficie reflectante del heliostato, a cuyos requerimientos deberá adaptarse.

2. Unas facetas entendidas como elementos especulares simples, es decir, sin geometría ni focal definidas. No son, por consiguiente, sistemas ópticos formadores de imágenes solares.

3. Una ingeniería estructural que permita lograr el objetivo esencial de la invención propuesta, esto es, que como consecuencia del amarre de las facetas a la estructura soporte anteriormente reseñada resulten éstas alineadas, sin la intervención adicional de otras herramientas o mano de obra que la que se ha empleado en el mencionado montaje, de modo que el procedimiento de alineación de facetas quede así eliminado; las facetas, pues, se auto-alinean como consecuencia del montaje. 4. Un procedimiento de amarre de las facetas con su estructura soporte que proporcione un grado de libertad a éstas en la dirección ortogonal a dicha estructura soporte, aliviándolas así de las tensiones que generan las deformaciones estructurales como consecuencia de su propio peso, o de la acción del viento. Dichas tensiones son absorbidas por una serie muelles que mantienen a cada faceta en contacto perimetral con la cuaderna sobre la que descansan, adaptándose así a la forma geométrica de ésta. Este grado de libertad de la superficie especular respecto de su estructura portante, facilita el montaje y alarga la vida media de las facetas, ya que éstas se rompen fundamentalmente por tensiones mecánicas transmitidas al vidrio.

Como aspectos relevantes de la realización de la invención, nos detendremos especialmente en la descripción de los apartados anteriores.

Estructura soporte de facetas

Como se ha dicho anteriormente, la estructura soporte de facetas ha jugado tradicionalmente en el diseño de heliostatos un papel exclusivo de sostén, de tal forma que en su diseño se consideraban relevantes aspectos tales como modularidad, rigidez, facilidad de transporte y montaje, etc., pero no había ningún parámetro de diseño que ligara la forma de la estructura soporte con la óptica del heliostato, dado que ésta se constituía mediante la ordenación geométrica de elementos ópticos más pequeños denominados facetas. Así pues, dicha estructura soporte de facetas desempeñaba un papel exclusivamente mecánico. La invención propuesta atribuye sin embargo un doble papel a la estructura soporte de facetas; por un lado, el mecánico tradicional, respetando los criterios al uso de diseño, en especial la modularidad, que son directamente extrapolables al ámbito de la nueva invención; por otro, se produce un cambio de paradigma en el diseño, de forma que los atributos ópticos de las facetas (geometría y focal) pasan a incorporarse ahora a la estructura soporte, que adopta así un nuevo rol geométrico del que antes carecía, debido esencialmente a las limitaciones tecnológicas para construir grandes estructuras mecánicas de revolución dotadas de pequeña curvatura, como es el caso de los heliostatos, cuya distancia focal puede llegar a ser del orden de los centenares de metros. En este sentido, las nuevas máquinas de corte por láser y chorro de agua, junto a la actividad inventiva que creemos ha supuesto la presente invención, han permitido abordar la fabricación de grandes superficies de revolución y larga focal muy precisas y con garantías de éxito. Para ello se sustituyen los elementos estructurales tradicionales (cerchas, correas, tubos, etc.) por otros que resultan de implementar las ecuaciones de determinados lugares geométricos de la superficie de revolución en el archivo CAD de la máquina de corte. La perfilería así fabricada ha necesitado, adicionalmente, del desarrollo de una metodología de ensamblaje que permita la conexión y fijación de los perfiles entre sí para alcanzar la forma y dimensiones finales de la estructura base de la superficie de revolución. Esta metodología de ensamblaje de perfiles de precisión permite el crecimiento de la estructura hasta que su área coincida con la prescrita por el diseño del heliostato. Así construida, dicha estructura queda preparada para proceder al amarre de las facetas que dará lugar a la superficie óptica de revolución del heliostato. Por último, este concepto permite la opción tecnológica de mecanizar o tallar en las propias cuadernas una brida de acople con los mecanismos de accionamiento, evitando así la intervención de cualquier interfase mecánica adicional entre dichos mecanismos y la estructura soporte de facetas, simplificando el montaje y minimizando las imprecisiones y holguras propias de cualquier interfase de unión entre dos elementos mecánicos.

Facetas

Las facetas del heliostato objeto de la invención son elementos especulares simples, en lugar de sistemas ópticos formadores de imágenes solares. En efecto, las facetas convencionales poseen una geometría y focal bien definidas y, como ya se ha mencionado anteriormente, demandan un procedimiento de alineación una vez montadas en la estructura soporte. Sin embargo, estas nuevas facetas están compuestas por una superficie especular (espejo de primera o segunda superficie) y una chapa, unidos ambos elementos mediante un adhesivo apropiado, sin otros requerimientos adicionales desde un punto de vista óptico. El conjunto resultante debe tener una determinada flexibilidad con objeto de que pueda adaptarse a las exigencias de la nueva estructura soporte, en la forma que se describirá más adelante. Asimismo, las dimensiones de estas facetas (ancho-largo-espesor) deben ser tales que faciliten su fabricación, transporte y manipulación para su montaje en la estructura portante. Adicionalmente, el dimensionado de las facetas debe responder a criterios tanto mecánicos como económicos.

En contraste con los campos de heliostatos tradicionales, divididos usualmente en varias zonas focales para adaptarse a las diferentes distancias focales de las facetas, la nueva faceta así concebida es un elemento universal en el campo solar. Puesto que todas ellas son idénticas, cualquiera de ellas es directamente utilizable en todos los heliostatos del campo, así como en cualquier emplazamiento sobre la estructura soporte. Esto elimina la sectorización del campo en zonas focales y simplifica la logística tanto del montaje como de la reposición y el almacenaje de facetas en la planta.

Finalmente, el diseño de las facetas y la estrategia de sujeción a la estructura portante, permiten maximizar la superficie reflectante del heliostato en relación con su superficie genérica, aumentando así en consecuencia el factor de ocupación del terreno donde se ubica el campo solar.

Ingeniería estructural y auto-alineado de facetas

Como se ha mencionado anteriormente, la eliminación del rol geométrico de las facetas en la óptica del heliostato para asignárselo ahora a su estructura soporte, supone un cambio de paradigma en el diseño tradicional de estos concentradores. Sin embargo, aunque conceptualmente dicho cambio deba reconocerse como ventajoso en términos de eliminación de los procesos de fabricación y alineación de facetas, exige el desarrollo de una ingeniería de corte y ensamblaje de perfiles capaz de satisfacer la nueva dualidad geométrica y mecánica de la estructura soporte, entendida ésta como una superficie de revolución de gran área y pequeña curvatura (larga focal) que es a su vez sostén mecánico de elementos especulares simples. Veamos los detalles de dicha ingeniería de corte y ensamblaje de perfiles:

Corte de perfiles: Se pretende que la zona mecanizada de los perfiles coincida con el lugar geométrico de una superficie de revolución cuya geometría sea la prevista para la óptica del heliostato. Para ello se calculan las intersecciones de dicha superficie de revolución con ciertos planos paralelos a los denominados planos principales, que son aquéllos que contienen al eje óptico de dicha superficie y son ortogonales a los ejes XY de ésta (ver figura 10). El número de estos planos y su posición vendrá determinado por el número de perfiles a considerar en la estructura, el cual que dependerá a su vez de la forma y dimensiones de las facetas, así como de criterios de carácter mecánico y portante. La solución del sistema de ecuaciones que resulta del planteamiento matemático de dicha intersección la constituyen aquellos puntos que verifican ambas condiciones, de tal forma que sus coordenadas serán introducidas en el archivo CAD de la máquina de corte para ser correctamente mecanizados en los perfiles originales. Así mecanizados y cortados de acuerdo a su dimensión prevista, dichos perfiles pasan a denominarse genéricamente cuadernas. Las cuadernas pueden ser principales (maestras) y auxiliares, según corten o no al eje óptico de la superficie de revolución deseada.

Ensamblaje de cuadernas: Para que la superficie eficaz de las cuadernas sirva tanto de referencia espacial como de correcto asiento a las facetas del heliostato, deberán ocurrir:

a) El lugar geométrico de sus puntos, una vez ensambladas, han de coincidir con los de una superficie de revolución cuya geometría sea la prevista para la óptica del heliostato, es decir:

cuaderna

siendo z = f(x,y) la ecuación de la superficie óptica prevista.

b) El correcto asiento de la faceta sobre la superficie eficaz de la cuaderna para fijarla implica, matemáticamente hablando, que los vectores normales a ambas superficies (cuaderna y superficie óptica) deben tener la misma orientación; es decir, si la ecuación vectorial de la superficie óptica con forma explícita z = f(x,y) puede representarse como r(x, y) = x i + y j + f(x, y) k, el vector unitario normal a la superficie asociado al punto z = f(x,y) vale:

dr dr

— x— dr dr

— x—

dx dy

de tal modo que, para lograr un asiento pleno entre ambas superficies, habría que desarrollar una técnica de ensamblaje que garantizara la condición:

Ñ Cuaderna = Ñ " O-ptica

La manera de soslayar el cumplimiento riguroso de esta 2^a condición, que afecta únicamente al asiento faceta-cuaderna, y complica no obstante el montaje, consiste en admitir que la óptica del heliostato de larga focal se halla en zona paraxial, de tal modo que el hecho de no ensamblar las cuadernas orientadas según Ñ_ó sino según Ñ_t , siendo fe el vector director del eje óptico del heliostato, supone un error despreciable en el asiento. Las figuras 11A y 11 B muestran el mecanismo de ensamblaje propuesto.

La sujeción de las facetas, entendidas como elementos especulares simples, a dicha estructura de cuadernas, puede hacerse mediante tornillos, muelles, arandelas tipo Grower, pasadores, adhesivos, etc. Sin embargo, la fijación mediante muelles concebida en esta invención permite dotar de un grado de libertad a la faceta respecto de su estructura portante. Aventaja así a nuestro modo de ver al resto de las sujeciones, pues la presencia del muelle, su orientación y ajuste, permiten absorber parte de las tensiones mecánicas que la propia estructura transmite a las facetas y, por tanto, al vidrio, de tal modo que se minora el riesgo de rotura y posterior corrosión de éste. Una vez fijadas las facetas, según el procedimiento anterior, y que se detallará más adelante, el resultado es:

- Las facetas se adaptan a la superficie geométrica portante, apoyando su borde exterior en la superficie eficaz de las cuadernas, copiando así los detalles de su forma y curvatura.

- Se distribuyen espacialmente de tal forma que cubren la totalidad del área de la superficie reflectante prevista.

- Como resultado del proceso de fijación sobre la estructura de cuadernas, los elementos reflectantes simples (facetas) quedan auto-alineados, proporcionándole así al heliostato una superficie especular de revolución y dotándolo, por tanto, de una distancia focal bien definida.

- La óptica del heliostato queda unívocamente definida por un solo sistema óptico, con su distancia focal plenamente coincidente con la distancia heliostato-receptor solar.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra un ejemplo de faceta convencional.

La figura 2 muestra un ejemplo de mesa de conformado de facetas.

La figura 3 representa un ejemplo de espejo y anclajes de una faceta convencional.

La figura 4 representa un ejemplo de bastidor de una faceta convencional.

La figura 5 muestra un ejemplo de la estructura soporte de un heliostato convencional.

La figura 6 muestra un ejemplo de heliostato con facetas sin cantear o alinear.

La figura 7A muestra una vista en perspectiva de un heliostato en el campo solar con doce facetas esféricas sin alinear y su efecto (Fig. 7B) sobre el plano del receptor solar.

La figura 8 muestra un ejemplo de heliostato con facetas alineadas.

La figura 9A muestra una vista en perspectiva de un heliostato en el campo solar con doce facetas esféricas correctamente alineadas y su efecto (Fig. 9B) sobre la imagen en el plano del receptor solar (focalización).

La figura 10 muestra intersecciones de una superficie de revolución con los planos paralelos a los denominados planos principales.

Las figuras 11A y 11B muestran cómo encajan las cuadernas entre sí en el montaje, para que las superficies eficaces estén perfectamente orientadas.

La figura 12 muestra el vidrio con el que se formará la superficie especular simple.

La figura 13 muestra la chapa con la que se formará la superficie especular simple.

La figura 14 muestra el vidrio pegado a la chapa, formando la superficie especular simple.

La figura 15 muestra las cuadernas que componen la estructura conformada del heliostato y brida de acople tallada.

La figura 16 muestra la estructura conformada, con las cuadernas encajadas y atornilladas.

La figura 17 muestra muelle utilizado en la fijación.

La figura 18A muestra la estructura conformada, con las cuadernas encajadas y atornilladas. La figura 18B muestra un detalle de cómo es la fijación de los elementos especulares simples con los tornillos y los muelles.

Las figuras 19A y 19B muestran cómo se realiza el montaje de los elementos especulares simples en la estructura conformada.

La figura 20 muestra la estructura conformada con todos los elementos especulares simples montados.

La figura 21 muestra el pedestal y el mecanismo donde se instalará la estructura óptica.

La figura 22 muestra el heliostato totalmente montado con las facetas auto-alineadas. Se hace notar que las figuras 1 a 9B corresponden al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad de la invención, las figuras 10 a 22 corresponden a la descripción estructural de la invención y a la explicación del modo de funcionamiento de la invención.

Las referencias:

(100) receptor central

(10) superficie reflectante

(1) faceta

(11) vidrio

(11a) cara especular

(11b) cara de fijación

(12) sustrato

(12a) cara de conexión (12b) cara de asiento

(2) estructura soporte

(2a, 2b, 2c) cuaderna

(2c1) brida de acople

(3) Atornillado

(4) muelle

(5a) tornillo pasante

(5b) tuerca auto-blocante

(6) mecanismo de accionamiento

Descripción de una realización preferente

Se demostrará en lo que sigue cómo llevar a cabo una realización preferida, así como sus ventajas frente al concepto tradicional de heliostato.

En efecto, la óptica del heliostato objeto de la invención consta de dos componentes bien diferenciados:

Facetas (1): Para la realización preferida de las facetas (1) se parte de elementos especulares simples; es decir, superficies reflectantes sin geometría definida, tales como espejos comerciales planos de vidrio (11) de segunda superficie, bajo contenido en hierro y normalmente de pequeño espesor (=1.5 mm), con forma rectangular o cuadrada (figura 12), que son los formatos que normalmente ofertan los fabricantes. Para dotar de rigidez, protección y facilitar al mismo tiempo su sujeción a la estructura (2) soporte, este elemento se une por su cara no especular a un sustrato (12) de aluminio de espesor≡ 2,5mm que le servirá de interfase y protección (figura 13); mediante la unión de ambas con un adhesivo (un polímero MS, por ejemplo) se logra, siguiendo una técnica convencional de pegado al vacío, un sándwich vidrio (11)-metal que puede ser en forma de sustrato (12) (figura 14) sin má& requerimientos constructivos que los ya mencionados y con la condición de que, una vez acoplada a la estructura soporte (2), la faceta (1) se adapte a la sección eficaz de las cuadernas (2a, 2b, 2c) en la manera que se explicará más adelante. Así concebida, la faceta (1) no es un elemento óptico formador de imágenes solares, de modo que su proceso de fabricación no demanda ni instrumentación sofisticada, ni técnicos cualificados en este sentido; además, evitamos la posibilidad de introducción de errores ópticos derivados del proceso de fabricación. Finalmente, así protegido y rigidizado el espejo mediante su unión al metal que puede ser en forma de sustrato (12), hace la faceta (1) apta para el transporte, montaje y almacenaje en la futura planta solar. Estructura soporte (2): Se ha mencionado anteriormente que una mecanización de precisión de perfiles así como su posterior técnica de ensamblaje, constituyen la piedra angular de la construcción exitosa de grandes estructuras que se corresponden con superficies de revolución de muy pequeña curvatura, es decir, necesarias en concentradores solares de gran distancia focal, como es el caso del heliostato. La figura 15 muestra el resultado de un mecanizado de precisión de un perfil de acero, mediante una máquina de corte por chorro de agua. Como se reseñó con anterioridad, el lugar geométrico de los puntos que pertenecen al mecanizado del perfil, resultan de la intersección de la superficie de revolución prevista para la óptica del heliostato, con ciertos planos que son ortogonales a los ejes XY de éste y que contienen a las cuadernas (2a, 2b, 2c) de la estructura (2), ya sean maestras (2c) o auxiliares (2a, 2b) (figura 10). Anteriormente también se mencionó que las muescas (2d) mecanizadas en los perfiles (figura 11) permiten el ensamblaje entre ellos, de tal forma que, una vez encajados, los centros de las secciones eficaces de las cuadernas (2a, 2b, 2c) coinciden con el lugar geométrico de los puntos de la superficie de revolución cuya geometría sea la prevista para la óptica del heliostato; del mismo modo, los vectores normales a las superficies eficaces de las cuadernas (2a, 2b, 2c) en cualquiera de sus puntos, se aproximan -dentro de la aproximación paraxial- con los correspondientes vectores normales a la superficie de revolución esperada, permitiendo así que dicha superficie de revolución pueda ser considerada, dentro de la aproximación paraxial, como la envolvente matemática de la estructura (2) soporte de cuadernas (2a, 2b, 2c). Un atornillado (3) adicional entre estos perfiles encajados (figura 16), asegura la completa estabilidad de la superficie resultante.

Resta todavía, para finalizar la descripción de la realización preferida, la descripción de la unión entre los dos elementos del heliostato anteriormente descritos, a saber, faceta (1) y estructura (2) soporte, permutados sus papeles tradicionales en lo que al diseño de heliostatos se refiere, con objeto de formar un todo unificado que constituirá la óptica del heliostato.

Fijación y auto-alineado de facetas (1) sobre la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a. 2b, 2c): Si bien la faceta (1) conserva su carácter especular y la estructura soporte (2) el portante, la primera se desprende de su geometría en favor de la segunda. Así pues, las facetas (1) deben ser simplemente fijadas a la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c) mediante un procedimiento especialmente diseñado para aliviar las posibles tensiones mecánicas que la estructura portante o soporte (2) pueda transmitir a la superficie especular, según el cual en las cuadernas (2a, 2b, 2c) se realizan unos alojamientos donde, con la ayuda de un muelle (4) de acero inoxidable (figura 17), tornillo pasante (5a) y tuerca auto-blocante (5b), se sujetan las facetas (1) a la estructura soporte (2) (figuras 18A, 18B), dotándolas no obstante de un grado de libertad en la dirección normal a la interfase entre ambas, con el propósito de que el muelle (4) cumpla la doble función de, por un lado, unir ambos elementos y, por otro, absorber las tensiones mecánicas que la estructura soporte (2) pueda transmitir a la superficie reflectante, y que es la causa habitual de muchas roturas que terminan por inutilizar los vidrios (11), al constituir una vía de entrada para la corrosión. La resultante del sistema de fuerzas obliga a las facetas (1) a apoyarse perimetral y uniformemente sobre las superficies eficaces de las cuadernas (2a, 2b, 2c), las cuales, actuando del mismo modo que un molde, las obligan a copiar su geometría (figuras 19A, 19B). La superficie especular simple de una faceta (1) se convierte así de nuevo en un elemento con características de un sistema óptico formador de imágenes, por cuanto su área coincide con la porción equivalente de la superficie óptica de revolución que, como quedó ya dicho, es la envolvente matemática de toda la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c), a la cual la faceta (1) ahora pertenece. Siguiendo este patrón repetitivo, todas las facetas (1) se fijan y cubren la totalidad de la estructura soporte (2) que comprende una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c) (figura 20), de tal forma que el proceso de alineación es concomitante con el de montaje, resultando de ello que, al terminar de montar las facetas (1), la óptica del heliostato queda inmediatamente lista para ser utilizada en campo.

Pero las ventajas de esta invención van más allá de la optimización, tanto material como económica, de la conformación inicial de la óptica del heliostato. En efecto, su beneficio se extiende a cuantas futuras reposiciones de facetas (1) se lleven a cabo en el campo solar, ya sea por mantenimiento rutinario (roturas, corrosión, degradación), ya por la necesidad de una reposición total de facetas (1) del campo al término su vida útil.

Finalmente, dicha superficie óptica resultante que comprende la estructura soporte (2) y las facetas (1) ha de fijarse al mecanismo de accionamiento de un heliostato convencional (figura 21). Para ello, como se mencionó anteriormente, se han diseñado unas cuadernas (2a, 2b, 2c) en las que la máquina de corte ha tallado una brida de unión (2c1) que le permite acoplarse directamente al mecanismo de accionamiento (figura 15 c) sin que medie entre ambos componentes del heliostato ninguna interfase mecánica, de forma que éste queda así montado directamente (figura 22) y operativo dentro del campo solar.

Así, una realización de la invención se refiere a un concentrador solar configurado para ser utilizado en plantas termosolares de receptor central (100), comúnmente denominados heliostatos, que comprende:

1a) una superficie reflectante (10):

1a1) que tiene una geometría definida;

1a2) discretizada en una pluralidad de elementos especulares simples de tamaño unitario para conformar una pluralidad de facetas (1);

1b) una estructura soporte (2):

1b1) configurada para soportar la superficie reflectante (10);

1b2) conformada para determinar, o establecer, o forzar, si se prefieren otros términos, una colocación auto-alineada de la superficie reflectante (10) para obtener una distribución de irradiancia solar determinada sobre un receptor. El efecto técnico de estas características es que permiten eludir el proceso de alineación de facetas (1) de los heliostatos convencionales.

Conforme a otras características de la invención:

2. Las facetas (1) comprenden:

2a) un vidrio (11) que comprende:

2a1) una cara especular (11a) configurada para reflejar una radiación solar incidente;

2a2) una cara de fijación (11 b) opuesta a la cara especular (11a);

2b) un sustrato (12) de sujeción del vidrio (11) que comprende:

2b1) una cara de asiento (12b) configurada para asentar la cara de fijación (11b) del vidrio (11);

2b2) una cara de conexión (12a) opuesta a la cara de asiento (12b), configurada para ser conectada al concentrador solar,

2c) medios de unión entre vidrio (11) y el sustrato (12) para asegurar una unión de la cara de fijación (11b) y la cara de asiento (12b).

Los efectos técnicos de estas características son los siguientes: las facetas (1) son simples, sin ser preciso establecer una geometría definida forzada por otros factores. Las facetas (1) resultantes de la unión espejo-sustrato, tienen capacidad para ser fijadas a una estructura soporte (2) de cualquier dimensión y copiar la geometría de dicha estructura soporte (2), sin intervención de instrumentos de precisión ni personal técnico cualificado, redundando así en una reducción de costes de producción y mejora de la repetitividad de la fabricación en serie.

3. El concentrador solar comprende una estructura soporte (2) que comprende:

3a) una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c):

3a1) conformadas a partir de una pluralidad de perfiles sometidos a un mecanizado de precisión;

3a2) configuradas para ser ensambladas de tal forma que la estructura soporte (2) tiene una envolvente que define una superficie coincidente con una geometría prevista para la óptica para concentrador solar;

3a3) que comprenden medios de conexión para conectar con la cara de conexión (12a) del sustrato (12) de sujeción del vidrio (11).

Los efectos técnicos de estas características son los siguientes: como consecuencia de su estructura y ensamblaje inequívoco y modular, el montaje de dicha estructura soporte (2) conformada no precisa de instrumentos de precisión ni de personal técnico cualificado.

Además, el proceso de sujeción de las facetas (1) a la estructura soporte (2) conformada comporta la auto-alineación de éstas, de tal forma que, otro efecto técnico derivado de estas características es que la óptica del heliostato queda apta para su uso inmediatamente después del montaje, eludiendo así el costoso proceso, tanto técnico como económico, de alineación de facetas (1), que se ha seguido en los heliostatos hasta ahora conocidos.

Otro efecto técnico adicional de esta característica es que esta ventaja se extiende a las sucesivas campañas de reposición de facetas (1) que se lleven a cabo como consecuencia del mantenimiento habitual del campo solar, así como en caso de la completa renovación de éste al término de su vida útil.

4. El concentrador solar comprende una cuaderna de acople (2c) que comprende:

4a) una brida de acople (2c1) tallada en la cuaderna de acople (2c) configurada para acoplar la estructura soporte (2) directamente a un mecanismo de accionamiento (6).

El efecto técnico de esta característica es que la estructura soporte (2) conformada puede acoplarse, sin necesidad de interfase mecánica, directamente a un mecanismo de accionamiento (6) de cualquier heliostato en el campo solar.

5. Los medios de conexión entre las cuadernas (2a, 2b, 2c) y la cara de conexión (12a) permiten un movimiento de las facetas (1) respecto de la estructura soporte (2) con un grado de libertad en una dirección ortogonal a la estructura soporte (2).

El efecto técnico de esta característica es que alivia así a las facetas (1) de las tensiones que generan las deformaciones estructurales como consecuencia de su propio peso, o de la acción del viento.

6. El concentrador solar comprende una pluralidad de muelles (4) configurados para absorber tensiones entre las facetas y la estructura soporte (2) y para mantener cada faceta (1) en contacto con la cuaderna (2a, 2b, 2c) sobre la que descansan.

Un efecto técnico de estas características es que así las facetas se adaptan a la forma geométrica de la estructura soporte (2).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Concentrador solar configurado para ser utilizado en plantas termosolares de receptor central (100) que comprende:

1 a) una superficie reflectante (10):

1a1) que tiene una geometría definida;

1 a2) discretizada en una pluralidad de elementos especulares simples de tamaño unitario para conformar una pluralidad de facetas (1);

1 b) una estructura soporte (2):

1 b1) configurada para soportar la superficie reflectante (10);

1 b2) conformada para determinar una colocación auto-alineada de la superficie reflectante (10) para obtener una distribución de irradiancia solar determinada sobre un receptor.

2. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por que las facetas (1) comprenden:

2a) un vidrio (11) que comprende:

2a2) una cara de fijación (11 b) opuesta a la cara especular (11 a);

2b) un sustrato (12) de sujeción del vidrio (11) que comprende:

2b1) una cara de asiento (12b) configurada para asentar la cara de fijación (1 1b) del vidrio (11);

2b2) una cara de conexión (12a) opuesta a la cara de asiento (12b), configurada para ser conectada al concentrador solar;

2c) medios de unión entre vidrio (11) y el sustrato (12) para asegurar una unión de la cara de fijación (11 b) y la cara de asiento (12b).

3. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende una estructura soporte (2) que comprende:

3a) una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, 2c):

3a1) conformadas a partir de una pluralidad de perfiles;

3a2) configuradas para ser ensambladas de tal forma que la estructura soporte (2) tiene una envolvente que define una superficie coincidente con una geometría prevista para la óptica para concentrador solar; 3a3) que comprenden medios de conexión para conectar con la cara de conexión (12a) del sustrato (12) de sujeción del vidrio (11).

4. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que comprende una cuaderna de acople (2c) que comprende:

5. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que los medios de conexión entre las cuadernas (2a, 2b, 2c) y la cara de conexión (12a) permiten un movimiento de las facetas (1) respecto de la estructura soporte (2) con un grado de libertad en una dirección ortogonal a la estructura soporte (2).

6. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que comprende una pluralidad de muelles (4) configurados para absorber tensiones entre las facetas y la estructura soporte (2) y para mantener cada faceta (1) en contacto con la cuaderna (2a, 2b, 2c) sobre la que descansan.