WO2015139152A1 - Concentrador solar con espejos planos orientados de norte-sur y espejo secundario cilindro-parabólico con absorbedor centrado - Google Patents

Concentrador solar con espejos planos orientados de norte-sur y espejo secundario cilindro-parabólico con absorbedor centrado Download PDF

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Definitions

  • the present invention consists of a Solar Power Concentrator (CSP), formed by a series of long flat mirrors (Fresnel type) oriented in a North-South direction, each with a single East-West axis of rotation with altitude tracking. sun, which together reflect the light throughout the day to a single parabolic-cylinder mirror, this concentrating solar radiation to a small area near the focal line of the parabola in which an absorber that heats fluids is located.
  • CSP Solar Power Concentrator
  • CSPs have already been developed with flat mirrors placed in the form of an amphitheater focusing on a central tower, which need a two-axis tracking system for each mirror, while this invention only needs tracking on one axis.
  • CSPs with flat Fresnel type mirrors in which they have a single axis for tracking the sun but with South-North rotation axes. Since the sun in winter or in medium seasons has a low inclination, the reflection of the light will also affect a parabolic-cylinder mirror but at a much greater distance (and at more acute angles) than that of this invention, so Mirrors in those cases require much greater precision.
  • the tracking angle at which mirrors should rotate in those systems is also greater than in the present invention, especially at the relevant hours of maximum radiation.
  • Figure 1 is a side view of the rows of flat mirrors (1) reflecting the sunlight coming from an angle of 30 ° of inclination, at such angles, that make the light strike an area (2) with a cylinder mirror - Parabolic mounted on a tower. This radiation is concentrated and absorbed in a sector of the axis of the parabola (3) through which the liquid to be heated circulates.
  • Figure 2 is another side view of the system, but now with the sun at an inclination of 90 °.
  • the flat mirrors have been rotated with respect to those of Figure 1, each in an axis such that the reflection continues to affect the secondary parabolic trough mirror.
  • Figure 3 is an elevation view of the row of flat mirrors (1), each at the appropriate angle to influence the reflection of the light in the parabolic trough mirror (2) (for the southern hemisphere).
  • the sun travels from East to West, the light is reflected at a lateral angle but always having a parallel effect on the secondary parabolic trough mirror, then concentrating on the absorber.
  • Figure 4 is a cross-section in more detail of the secondary parabolic trough mirror, showing the radiation coming from the two flat mirrors (being A the farthest and B the closest from the tower) and a possible distribution of tubes or plates that absorb radiation and, as far as possible, avoid caloric emission.
  • Plane mirrors (1) are mounted on a frame that can rotar- on a shaft with a control system, so as to always reflect light in a strip elongated East-West (2) in which 'located' one second cylindrical-parabolic mirror mounted on a tower, as, can be seen in Figs. 1 and 2.
  • a control system so as to always reflect light in a strip elongated East-West (2) in which 'located' one second cylindrical-parabolic mirror mounted on a tower, as, can be seen in Figs. 1 and 2.
  • All mirror runs reflect within an angle of about 30 ° from the point of view of the parabola of the secondary mirror, it has been shown that the image should be concentrated in a narrow contained area, in an ellipsoid on the parabolic axis (see patent dated 06/02/2009 272-2009 to set. the. absorber area) as shown in Fig. 4 ..
  • the reflection will simply be formed by parallelism at points farther along the cylinder of the second mirror as seen in Fig. 3, but in the same ellipsoidal area of the axis of the parabola of this concentrating mirror .
  • an absorber (3) is installed, consisting of tubes or ducts with good absorption properties of solar radiation and low caloric emission.
  • the tubes contain the liquid or gas that is pumped into a pond as soon as the temperature differential is convenient and with a heat exchanger the heat energy of the fluid in a pond is increased.
  • a possible sun tracking system consists simply of adapting a cogwheel to each axis of the flat mirrors and, on all these gears, placing a horizontally cogged rack (rack) that is long enough to move all the mirrors simultaneously with a motor precision guided by a computer control system and / or sensors for the position of the sun.
  • rack horizontally cogged rack
  • the concentration of sunlight with this simple flat mirror system thus achieves a multiple of the direct radiation that would be obtained directly in the single parabolic trough concentrator, essentially depending on the height of the tower, how much mirrored terrain is encompassed within the 30 ° described above. In principle this is true as long as the tracking system and the precision of the mirrors are good enough to focus the beam on the secondary mirror. (It is possible to manufacture the secondary mirror somewhat wider than the original beam of the flat mirrors so as not to lose the radiation).
  • the absorber In the narrow elliptical strip (3) along the focal line of the parabolic trough mirror, the light reflected by this mirror and the series of flat mirrors is concentrated.
  • the absorber is installed consisting of a series of tubes with selective paint. or tubes. under vacuum, to maximize solar radiation and prevent the emission of thermal energy in infrared. Through these tubes, water, oils or gases to be heated circulate that are taken to a pond with heat exchanger. Alternatively, it is possible to put another, type of absorbers or cavities in the high solar radiation strip.
  • This caloric energy is used to heat water in large quantities and / or produce electricity (e.g. with a steam turbine or with a Stirling machine) and / or produce distilled water (e.g. from water from sea) .
  • electricity e.g. with a steam turbine or with a Stirling machine
  • distilled water e.g. from water from sea

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Abstract

La presente invención consiste en un Concentrador Solar de Potencia (CSP), formado por una serie de largos espejos planos (tipo Fresnel) orientados en dirección Norte-Sur, cada uno con un solo eje Este-Oeste de rotación con seguimiento de la altitud del sol, que conjuntamente reflejan la luz a lo largo del día a un solo espejo cilindro- parabólico, concentrando este la radiación solar a una pequeña zona cercana a la linea focal de la parábola en la que se encuentra un absorbedor que calienta fluidos y/o genera electricidad.

Description

CONCENTRADOR SOLAR CON ESPEJOS PLANOS ORIENTADOS DE
NORTE-SUR Y ESPEJO SECUNDARIO CILINDRO-PARABÓLICO CON
ABSORBEDOR CENTRADO
La presente invención consiste en un Concentrador Solar de Potencia (CSP) , formado por una serie de largos espejos planos (tipo Fresnel) orientados en dirección Norte-Sur, cada uno con un solo eje Este-Oeste de rotación con seguimiento de la altitud del sol, que conjuntamente reflejan la luz a lo largo del día a un solo espejo cilindro- parabólico, concentrando este la radiación solar a una pequeña zona cercana a la línea focal de la parábola en la que se encuentra un absorbedor que calienta fluidos.
Descripción del estado de la técnica
Ya se han desarrollado CSPs con espejos planos colocados en forma de anfiteatro enfocando a una torre central, los que necesitan para cada espejo un sistema de seguimiento en dos ejes, mientras que esta invención solo necesita seguimiento en un eje.
También existen CSPs con espejos planos tipo Fresnel, en que éstos tienen un solo eje de seguimiento del sol pero con ejes de rotación Sur-Norte. Ya que el sol en invierno o en estaciones medias tiene inclinación baja, la reflexión de la luz también incidirá en un espejo cilindro-parabólico pero a una distancia mucho mayor (y en ángulos mas agudos) que a la de esta invención, por lo que los espejos en esos casos requieren de mucho mayor precisión. El ángulo de seguimiento en que deben rotar los espejos en esos sistemas también es mayor que en la presente invención, especialmente en las horas relevantes de máxima radiación.
Descripción breve de las figuras
Para comprender mejor la invención, se la describirá en base a una modalidad preferida, la que se ilustra en los dibujos, la que tiene solamente un carácter ilustrativo, no limitándose el alcance de la invención ni a la dimensiones ni a la cantidad de elementos ilustrados ni a los medios de sujeción.
La Figura 1: es una vista lateral de las filas de espejos planos (1) reflejando la luz solar proveniente de un ángulo de 30° de inclinación, en ángulos tales, que hagan incidir la luz a una zona (2) con un espejo cilindro-parabólico montado en una torre. Esta radiación se concentra y es absorbida en un sector del eje de la parábola (3) por donde circula el líquido a calentar.
La Figura 2: es otra vista lateral del sistema, pero ahora con el sol a una inclinación de 90°. Los espejos planos han sido girados con respecto a los de Figura 1, cada uno en un eje tal que el reflejo siga incidiendo en el espejo cilindro-parabólico secundario. La Figura 3: es una vista de alzado de la fila de espejos planos (1) , cada uno en el ángulo apropiado para hacer incidir el reflejo de la luz en el espejo cilindro-parabólico (2) (para el hemisferio Sur) . A medida que el sol se desplaza de Este a Oeste, la luz se va reflejando en un ángulo lateral pero siempre incidiendo por paralelismo en el espejo cilindro-parabólico secundario, para luego concentrarse en el absorbedor .
La Figura 4: es un corte transversal en mas detalle del espejo cilindro-parabólico secundario, mostrando la radiación proveniente de los dos espejos planos (siendo A el mas lejano y B el mas cercano de la torre) y una posible distribución de tubos o placas que absorban la radiación y en lo posible eviten la emisión calórica.
La Figura 5: es un corte transversal de los espejos planos, con el cual se puede demostrar fácilmente que todos los espejos se mueven en un mismo ángulo Δγ=-Δα/2 cuando la altitud del sol cambia en un ángulo Δα, necesitando solo un sistema de seguimiento común a todos los espejos.
Descripción detallada de la invención
Los espejos planos (1) se montan en un marco que puede rotar- en un eje con un sistema de control, de manera de siempre reflejar la luz hacia una franja elongada en dirección Este-Oeste (2) en que se 'ubica 'un segundo espejo cilindro-parabólico montado en una torre, como, se aprecia en las Figs. 1 y 2. Siempre que todas las corridas de espejos reflejen dentro de un ángulo de unos 30° desde el punto de vista de la parábola del espejo secundario, se ha demostrado que la imagen debiera concentrarse en una zona angosta contenida , en un elipsoide sobre el eje parabólico (ver solicitud de patente 272-2009 con fecha 06/02/2009 para fijar . el .área del absorbedor) como se observa en la Fig. 4.. Si la luz en las tardes o mañanas llega en un ángulo lateral con respecto a los espejos planos, el reflejo simplemente se formará por paralelismo en puntos mas alejados a lo largo del cilindro del segundo espejo como se aprecia en la Fig. 3, pero en la misma zona elipsoidal del eje de la parábola de este espejo concentrador.
En esta franja elipsoidal se instala un absorbedor (3) que consiste en tubos o conductos con buenas propiedades de absorción de radiación solar y de baja emisión calórica. Los tubos contienen el liquido o gas que se bombea a un estanque en cuanto el diferencial de temperatura sea conveniente y con un intercambiador de calor se va incrementando la energía calórica del fluido de un estanque.
Los espejos planos con esta geometría se mantienen enfocados hacia el espejo cilíndrico-parabólico durante el día y a través del año con la sola necesidad de un solo sistema de seguimiento común para todos lo espejos, ya que los ángulos iniciales γι en la Fig.5, para una altitud dada del sol son distintos por las crecientes distancias a la torre (dando distintos β) , pero la rotación de todos los espejos cambia en el mismo ángulo:
Δγ =: Yf - Yi = (90o- (β+οί£) 12) - (90o- (β+aj 12) = (- f + α±) /2 =: -Δα/2
Por ejemplo, la rotación de los espejos planos entre Figs. l..y 2 con el sol proveniente de ángulos de 30° y 90° respectivamente, es de;
Δγ = 30°. Un posible sistema de seguimiento del sol, consiste simplemente en adaptar a cada eje de los espejos planos una rueda dentada y sobre todos estos engranajes poner un riel dentado (cremallera) horizontalmente que tenga el largo suficiente para mover todos los espejos simultáneamente con un motor de precisión guiado por un sistema de control computacional y/o de sensores de la posición del sol .
La concentración de luz solar con este simple sistema de espejos planos alcanza asi un múltiplo de la radiación directa que se obtendría directamente en el solo concentrador cilindro-parabólico, dependiendo esencialmente de la altura de la torre, cuanto terreno con espejos es abarcable dentro de los 30° antes descritos. En principio esto es cierto mientras el sistema de seguimiento y la precisión de los espejos sea suficientemente buena para enfocar el haz en el espejo secundario. (Es posible fabricar el espejo secundario algo mas ancho que el haz originario de los espejos planos para no perder la radiación) .
En la franja elíptica (3) angosta a lo largo de la línea focal del espejo cilindro-parabólico se concentra la luz reflejada por este espejo y por la serie de espejos planos. En esta zona se instala el absorbedor que consiste en una serie de tubos con pintura selectiva . o tubos . al vacío, para absorber al máximo la radiación solar y prevenir la emisión de energía térmica en infrarojo. Por estos tubos, circula agua, aceites o gases a calentar que son llevados a un estanque con íntercambiador de calor. Alternativamente, es posible poner otro, tipo de absorbedores o cavidades en la franja de alta radiación solar..
Ésta energía calórica se usa para calentar agua en grandes cantidades y/o producir electricidad (p.ej.. con una turbina a vapor o con una maquina de Stirling) y/o producir agua destilada (p.ej. a partir de agua de mar) .

Claims

REIVINDICACIONES
1. Concentrador solar de potencia que permite concentrar eficazmente la radiación solar, CARACTERIZADO por poseer una serie de espejos planos (1) con un eje de rotación Este-Oeste coordinados entre si y con la elevación del sol, para reflejar la radiación solar hacia el Norte (en el hemisferio Sur) a una zona elevada, angosta y alargada en eje horizontal Este-Oeste (2) en que se ubica un absorbedor o en la que se vuelve a concentrar.
2. Concentrador de acuerdo a Reivindicación 1, CARACTERIZADO porque la zona (2) es un espejo cilindro-parabólico que vuelve a concentrar la radiación solar en una franja elipsoidal cercana al eje de la parábola y centrada en su punto focal, en que se encuentra el absorbedor, donde el ángulo entre los haces reflejados del espejo plano mas lejano (A) y mas cercano (B) , hacia la linea focal de dicho espejo, no supera los 30° .
3. Concentrador de acuerdo a Reivindicación 1, CARACTERIZADO porque los ejes de los espejos planos poseen ruedas con dientes (engranajes) y un riel horizontal con cremalleras movido por un motor, de manera que rota todos los espejos en el mismo ángulo Δγ = Δ /2 al cambiar la altitud del sol en un ángulo Δα, apropiado para la configuración geométrica de espejos dada en esta invención.
4. Concentrador de acuerdo a las Reivindicaciones 1 y 2 , CARACTERIZADO por poseer como absorbedor de la radiación dos franjas paralelas de placas fotovoltaicas, centradas en la línea focal del . espejo cilindro-parabólico, con caras opuestas, indicando cada una hacia la radiación incidente y adosadas por cada lado en su cara interior a los tubos o conductos con fluido, los que absorben y difunden el calor producido en las placas generadores de electricidad.
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