WO2021148703A1 - Receptor de doble cavidad para colectores solares de foco lineal - Google Patents

Receptor de doble cavidad para colectores solares de foco lineal Download PDF

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WO2021148703A1
WO2021148703A1 PCT/ES2021/070042 ES2021070042W WO2021148703A1 WO 2021148703 A1 WO2021148703 A1 WO 2021148703A1 ES 2021070042 W ES2021070042 W ES 2021070042W WO 2021148703 A1 WO2021148703 A1 WO 2021148703A1
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WO
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interval
receiver
glass
cavity
lens
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PCT/ES2021/070042
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Inventor
Juan José SERRANO AGUILERA
Luis Parras Anguita
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Universidad De Málaga
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • 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
    • F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
    • 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
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 present invention corresponds to the technical field of concentrating solar energy, specifically to the technology of linear focus solar thermal receivers, providing a new, more robust receiver design for parabolic trough collectors with an edge angle (rim angle) less than 90 degrees operating in a high temperature range
  • parabolic trough technology is the one that arouses the most commercial interest due to its technological maturity and the reduced risk to be assumed by investors in its implementation.
  • the receiver is the most critical element, not only because of the technical complexity involved in its manufacture, but also because it is one of the most vulnerable and expensive elements. Since the implementation of the first SEGS (Solar Energy Generating Systems) plants in California in the 1980s, the concept of receiver tube used by the industry has not changed substantially. The first patents describing this concept appeared in the 70s and 80s.
  • US20100043779 does propose a receiver with a concave cavity absorber, but this cavity is surrounded by 3 elements: concave absorber tube, thermal insulator and simple glass closure that is passive from the optical point of view (see Figures 6 and 7 of said document).
  • US1661473 also proposes a receiver with a cavity-shaped metal absorber to which a conventional solid lens can be attached at its lower aperture.
  • the present invention describes a new concept of a linear focus receiver whose objective is to fulfill a function analogous to that of those receivers existing in parabolic trough collectors.
  • a linear focus receiver whose objective is to fulfill a function analogous to that of those receivers existing in parabolic trough collectors.
  • the receiver comprises a concave metallic absorber delimited at its opening by a slit of width d covered by a lens (see figure 2).
  • the absorber and the lens delimit a main cavity below which is another second cavity subjected to vacuum and delimited by a piece of glass of a determined geometry and variable thickness.
  • the glass-limited cavity found under vacuum provides two main benefits:
  • Durability As there is a sealed lower chamber, an insulating vacuum chamber that is entirely sealed by glass can be enabled through a compact and removable part. This increases the operating half life of the receivers by not requiring glass-metal welding, which guarantees high levels of vacuum during the operating life of the receiver, limiting thermal losses.
  • Figure 1. Graph with general representation of the radial pattern that follows both the inner and outer edges of the lower wall of the glass piece.
  • Figure 2. Shows the cross section to the longitudinal axis of the double cavity receiver.
  • Figure 3. Shows the coordinate system used to define the contours of the the piece of glass.
  • the present invention proposes a solar receiver (fig. 2), made up of 3 main elements:
  • a metallic absorber (2) inside which the heat transfer fluid (3) circulates.
  • the internal surface of the absorber (with concave geometry) covers most of the perimeter of the main cavity (4).
  • this design can take the characteristic shape of a horseshoe whose geometry is defined, among other parameters, by the width of the opening slit (d).
  • An ovoidal lens that occupies the entire width d of the slit. Thanks to the absorber and an ovoid-shaped lens (8) that occupies the entire width d of the slit, the main cavity (4) is isolated from the outside to reduce thermal losses.
  • the inner surface of the cavity (1) can be treated with a selective coating, although the absorbance and emittance values of this absorber surface are not as critical as in conventional absorber tube designs, since the slit of width d is the only surface where radiant losses occur.
  • This main cavity (4) unlike the vacuum cavity (7) that will be described later, is filled with air under atmospheric conditions.
  • (iii) A piece of glass whose main function is to redirect the solar rays concentrated by the primary reflector through refraction in addition to delimiting a vacuum chamber (7) to reduce convective losses. The most general description of this piece of glass has three main parts that give it its distinctive character:
  • This slit is occupied by an inner lens with an ovoid shape (8), so that the geometry of each of its edges (upper and lower) can be defined from a polynomial of degree n expressed in polar coordinates, being the origin of the system of coordinates the focal point (p) of the primary reflector and the angle ⁇ defined as positive in the clockwise direction (see figure 3) with angular origin in the horizontal direction:
  • Both polynomials both the upper edge and the lower edge must satisfy the condition where d is the width of said slit absorber opening. Taking advantage of the existing symmetry with respect to the vertical axis that passes through the focal point p, it is only necessary to define these edges in one of the two quadrants that it occupies.
  • the upper closure of the glass piece (9) is constituted by two symmetrical and horizontal flat glass walls on both sides of the ovoid-shaped lens.
  • the thickness of this wall guarantees the rigidity of the glass piece.
  • an excess of thickness implies an increase in thermal losses by conduction through the length of this glass wall.
  • the underside of these glass closures can be treated with a selective coating or insulation to compensate for the high emissivity of the glass.
  • the wall of variable thickness (10) that surrounds the lower edge of the vacuum chamber.
  • the geometry of this wall is shaped like an inverted arch. Both the internal and external contours of this wall follow a geometric pattern that can be defined in polar coordinates, the origin of the coordinate system being the focal point of the primary reflector (p) (reflector with an edge angle, or rim angle, less than 90 degrees) and the angle ⁇ defined as positive in a clockwise direction (see fig. 3).
  • the geometric pattern of each of the two edges is determined by a continuous and differentiable piecewise function defined in the interval
  • Piece 1 corresponding to region I (see fig. 1 and fig. 2) and defined in the interval that passes through the extreme points of the interval . This piece of the function is defined by a polynomial with increasing tendency
  • Piece 2 corresponding to the transition between region I and II in the fig. 1). It is a spline (cubic polynomial) that must pass through the start and end points of the interval in addition to ensure that the function is differentiable in
  • Piece 3 corresponding to region II (see fig. 1 and fig. 2) and defined in the interval that passes through the end points of the interval This part of the function is defined by a polynomial with decreasing trend
  • Piece 4 corresponding to the transition between region II and III in the fig. 1). It is a spline (cubic polynomial) that must pass through the start and end points of the interval in addition to ensure that the function is differentiable in
  • Piece 5 corresponding to region III (see FIG. 1 and FIG. 2) and defined in the interval that passes through the extreme points of the interval
  • a convergent lens with a curved axis is configured whose function is to redirect the rays that impinge more obliquely on the entrance slit to the cavity absorber.
  • the absorber (2) can be covered with a thermal insulation (5), which reduces to negligible levels any type of thermal loss through the outer perimeter of the receiver.
  • This insulation can be covered and protected from external agents by a protective casing (6).
  • the dual cavity receiver concept has the following advantages over conventional vacuum receivers: (i) It is a more robust design, since it can maintain adequate vacuum levels for longer periods than current receivers, dispensing with glass-metal welds.
  • the thermal insulation material eg rock wool
  • the thermal insulation material means that there is no heat flow around the upper contour of the absorber, and therefore contributes to reducing the temperature difference between the fluid and the upper wall of the same , limiting the thermal stress to which the receiver is subjected. This limits the thermal gradients in the metal wall.
  • the active heat exchange surface between the metal absorber and the fluid (in relation to the passage section) is greater, since the geometry of the absorber can be modified without affecting the width of the opening slit.
  • the walls of the vacuum chamber can be used to (by means of glass walls of variable thickness) redirect the rays in such a way that the width of the opening slit of the metallic absorber can be reduced. All the interfaces that the rays pass through (four air-glass interfaces) are optically active, improving the concentration factor. PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • figure 2 shows a specific embodiment of the invention, without this implying a limitation regarding what an expert will understand as the scope of the invention.
  • the receiver of the invention is associated with a primary reflector with a focal length of 1.71 m.
  • the geometry of the edges of the ovoidal lens (8) is determined by r sup and r inf for the upper and lower contour by the following polynomials (see fig. 3): where the radius is expressed in meters (the origin of the radial coordinate being the focal point p and the independent term of both polynomials coinciding with
  • the lower closure of the vacuum chamber (10) is defined in a similar way.
  • the radius of the inner edge r int is defined by a continuous differentiable function formed by 5 pieces (see fig. 1 and fig. 3):
  • the outer edge r ext is defined in a similar way through the same function model expressed in polar coordinates:
  • the existence of a vacuum chamber inside it (7) is allowed. Furthermore, in order to compensate for the different degrees of expansion existing between the glass piece (10) and the metal absorber (2), partial sliding between both pieces must be allowed along the longitudinal axis of the receiver. The fact that the main cavity (4) is at atmospheric pressure facilitates the assembly and maintenance of the receiver, since no special type of seal is necessary between the absorber, glass part and insulation.
  • the double cavity receiver presents a drastic reduction in thermal losses, at the expense of penalizing the optical performance due to the existence of a second glass wall in the path traveled by the concentrated solar rays. (There are four glass-air borders). This fact implies that this receiver is the most appropriate design when the operating temperature of the fluid is very high, which advises the use of the invention in the final sections of the collector loops.
  • the use of the double cavity receiver is recommended in installations where the average temperature of the heat transfer fluid is high (> 300 ° C), as well as in systems where it is essential to maintain the temperature of the fluid in the absence of solar radiation for long periods of time. periods (for example overnight) or in systems using molten salts as heat transfer fluid.
  • the double cavity receiver concept can also be applied in hybrid systems whose function is to provide air and heat transfer fluid at high temperatures.
  • a secondary and independent stream of air can be established in the inner cavity (4). This secondary flow allows air to be heated, increasing the total heat transfer coefficient of the receiver.
  • the thermal losses can decrease significantly by reducing the temperature of the ovoidal lens (8) and recovering part of the thermal energy from the volumetric optical losses.

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Abstract

Receptor de doble cavidad para colectores solares de foco lineal. La presente invención se refiere a un receptor para colectores de foco lineal caracterizado por que comprende un absorbedor metálico cóncavo (2) delimitado en su apertura por una rendija de un ancho d cubierta por una lente ovoidal (8), limitando el absorbedor y la lente (8) una cavidad principal (4) por debajo de la cual, en dirección al reflector del colector, se encuentra una segunda cavidad (7) sometida a vacío y delimitada por una pieza de vidrio (10) cóncava, conformada por varios tramos en forma de arco invertido de espesor variable, cuyos contornos siguen un patrón definido mediante funciones polinómicas a trozos continuas y derivables. El receptor así provisto de dos cavidades tiene ventajas tanto ópticas como térmicas.

Description

D E S C R I P C I Ó N
RECEPTOR DE DOBLE CAVIDAD PARA COLECTORES SOLARES DE FOCO
LINEAL
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención corresponde al campo técnico de la energía solar de concentración, en concreto a la tecnología de receptores solares térmicos de foco lineal, aportando un nuevo diseño de receptor más robusto para los captadores cilindroparabólicos con un ángulo de borde ( rim angle) inferior a 90 grados que operen en un rango de temperatura elevado
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En el contexto de la industria termosolar, la tecnología de captadores cilindroparabólicos es la que más interés comercial despierta por su madurez tecnológica y el reducido riesgo a asumir por parte de los inversores en su implantación. De todos los elementos con los que consta cualquier captador, el receptor es el elemento más crítico, no sólo por la complejidad técnica que implica su fabricación, si no por ser uno de los elementos más vulnerables y costosos. Desde la implantación de las primeras plantas SEGS ( Solar Energy Generating Systems) en California en la década de los 80, el concepto de tubo receptor empleado por la industria no ha cambiado sustancialmente. Las primeras patentes donde se describe este concepto aparecieron en la década de los 70 y 80. Este es el caso, por ejemplo, del documento US4432343, donde se describe un captador cilindroparabólico formado por un reflector con sección parabólica cuyo receptor está formado por un absorbedor metálico tubular (con un recubrimiento selectivo, p. ej. cromado negro) rodeado de una cubierta de vidrio concéntrica a la anterior. En la citada invención también se detalla que deben existir condiciones de vacío entre el absorbedor y la cubierta de vidrio además de emplear fuelles de expansión para compensar los diferentes grados de dilatación térmica entre el metal y el vidrio. Desde entonces, en el estado de la técnica se han propuesto modificaciones parciales, pero todas ellas a partir del concepto de receptor tubular cilindrico. En el documento ES2125828 se propuso un tubo absorbedor con hendiduras en las paredes para favorecer el coeficiente de transferencia térmica entre la pared metálica y el fluido caloportador. Por su parte, en el documento W02007076578 se añade una cubierta aislante en la zona superior del absorbedor (mitad superior por donde no recibe radiación concentrada) para reducir las pérdidas térmicas. O incluso configuraciones como la descrita en DE10033240 donde el tubo absorbedor y la cobertura de vidrio cilindrica no son concéntricos. La geometría de la cobertura de vidrio también puede ser modificada. Según el documento DE10305428, la modificación parcial de la geometría de sección cilindrica mediante hendiduras en la cubierta de vidrio mejora el índice de interceptación del receptor.
Por su parte, los documentos US2007034204 y US2008087277 proponen soluciones alternativas a la unión clásica entre el tubo absorbedor y la cobertura de vidrio mediante fuelle metálico.
Aunque en el estado del arte abundan las invenciones basadas en absorbedores tubulares de sección circular, existen algunas invenciones que ya han introducido el concepto de receptor de cavidad en el contexto de los captadores cilindroparabólicos. Los documentos US20130192226 y WO2015089273 destacan las ventajas del uso de un receptor tubular, el cual queda recubierto en su parte superior con aislante térmico y en su parte inferior se habilita una cavidad. Esta cavidad puede estar cerrada en su parte inferior por un cierre de vidrio simple cuya finalidad es sellar la cavidad existente para favorecer la estratificación. Según sus autores, para reducir las pérdidas térmicas, es muy importante que la superficie emisora del absorbedor metálico sea la mínima posible, a pesar de encontrarse en una cavidad. Por esta razón, las superficies laterales de dicha cavidad no forman parte del cuerpo del absorbedor metálico. Un documento anterior, US20100043779, sí propone un receptor con absorbedor de cavidad cóncavo, pero esta cavidad está circundada por 3 elementos: tubo absorbedor cóncavo, aislante térmico y cierre de vidrio sencillo que es pasivo desde el punto de vista óptico (ver figuras 6 y 7 de dicho documento). Por su parte, en US1661473 también se propone un receptor con un absorbedor metálico en forma de cavidad al cual se le puede adjuntar una lente convencional maciza en su apertura inferior.
No obstante, no se encuentran en el estado del arte ninguna invención relativa a un receptor de cavidad, donde esta cavidad esté íntegramente circundada por el absorbedor metálico, junto con un cierre de vidrio inferior que a su vez se emplee para crear otra cavidad secundaria inferior cuya pared (esto es, todo el perímetro que circunda con aire) tenga una funcionalidad óptica para reconcentrar los rayos. De forma particular, el documento DE102006048734 sí concibe un sistema óptico con forma de cavidad trapezoidal pero acoplado a un receptor tubular bajo un reflector secundario. Sin embargo, esta cavidad está circundada en su cara inferior por una lente tipo Fresnel junto con un cierre simple de vidrio en su cara superior. Este hecho no optimiza el proceso de concentración de rayos, ya que cada rayo tiene que cruzar 4 interfases vidrio-aire (con las correspondientes penalizaciones ópticas), beneficiándose sin embargo sólo de una etapa de concentración que se materializa en las dos primeras interfases (lente Fresnel). Es conveniente citar también que la fabricación de una lente tipo Fresnel es más costosa que una pared de vidrio con contornos suaves. Además, según se desprende de la descripción del citado documento alemán, las paredes laterales de esta cavidad trapezoidal no cumplen ninguna función óptica más que sostener la lente Fresnel, por lo que pueden ser de cualquier material, lo que limita el ángulo de borde ( rim angle) que admite el receptor.
A todos los factores comentados anteriormente, hay que añadir un problema común en todos los diseños que emplean cámara de vacío para reducir las pérdidas térmicas por convección. Si esta cámara de vacío no se encuentra circundada por una pieza compacta de vidrio, se requieren sellos entre el vidrio y el otro material que circunde la citada cámara. Estos sellos además de costosos son vulnerables a fallos de sellado, degradando el nivel de vacío en la cámara y aumentando las pérdidas térmicas, incrementando la tasa de fallos de los receptores en la instalación.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un nuevo concepto de receptor de foco lineal cuyo objetivo es cumplir una función análoga a la de aquellos receptores existentes en los colectores cilindroparabólicos. Mediante este nuevo diseño de receptor de doble cavidad se aporta una alternativa para sistemas que operen en un rango de temperaturas elevado (> 300 °C), como es el caso de los sistemas termosolares para la generación de electricidad. El receptor comprende un absorbedor metálico cóncavo delimitado en su apertura por una rendija de un ancho d cubierta por una lente (ver figura 2). Así, el absorbedor y la lente delimitan una cavidad principal por debajo de la cual se encuentra otra segunda cavidad sometida a vacío y delimitada por una pieza de vidrio de una geometría determinada y espesor variable.
La cavidad limitada por vidrio que se encuentra al vacío aporta dos ventajas principales:
Durabilidad: Al existir una cámara inferior estanca, se puede habilitar una cámara aislante de vacío íntegramente sellada por vidrio a través de un pieza compacta y desmontable. Esto aumenta la vida media operativa de los receptores al no requerir de soldadura vidrio metal, lo que garantiza altos niveles de vacío durante la vida operativa del receptor, limitando las pérdidas térmicas.
Pérdidas por radiación: Puesto que el vidrio es prácticamente opaco a la radiación infrarroja, se reducen los efectos de las pérdidas por radiación ya que se cuenta con una doble pared de vidrio. Además, gracias a la etapa se concentración proporcionada por las paredes de la cámara de vacío, se reduce el área emisora de radiación infrarroja, pudiendo prescindir de un recubrimiento selectivo de muy baja emitancia en la superficie metálica del absorbedor.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Gráfica con representación general del patrón radial que siguen tanto el borde interior como exterior de la pared inferior de la pieza de vidrio.
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0002
Figura 2.- Muestra la sección transversal al eje longitudinal del receptor de doble cavidad.
Figura 3.- Muestra el sistema de coordenadas empleado para definir los contornos de la pieza de vidrio.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un receptor solar (fig. 2), formado por 3 elementos principales:
(i) Un absorbedor metálico (2), por dentro del cual circula el fluido caloportador (3). La superficie interna del absorbedor (con geometría cóncava) abarca la mayor parte del perímetro de la cavidad principal (4). Como caso particular, este diseño puede adoptar la forma característica de una herradura cuya geometría queda definida, entre otros parámetros, por el ancho de la rendija de apertura (d). (ii) Una lente ovoidal que ocupa todo el ancho d de la rendija. Gracias al absorbedor y a una lente (8) de forma ovoidal que ocupa todo el ancho d de la rendija la cavidad principal (4) queda aislada del exterior para reducir pérdidas térmicas. La superficie interior de la cavidad (1) puede estar tratada con un recubrimiento selectivo, aunque los valores de absortancia y emitancia de esta superficie absorbedora no son tan críticos como en los diseños de tubos absorbedores convencionales, ya que la rendija de anchura d es la única superficie por donde se producen pérdidas radiantes. Esta cavidad principal (4), a diferencia de la cavidad al vacío (7) que se describirá más adelante, está llena de aire en condiciones atmosféricas. (iii) Una pieza de vidrio que tiene como función principal redireccionar los rayos solares concentrados por el reflector primario mediante refracción además de delimitar una cámara de vacío (7) para reducir las pérdidas convectivas. La descripción más general de esta pieza de vidrio posee tres partes principales que le confieren su carácter distintivo:
(iii.1) Rendija de apertura con una anchura d que constituye el acceso de los rayos a la cámara de aire. Esta rendija está ocupada por una lente interior con forma ovoidal (8), de forma que la geometría de cada uno de sus bordes (superior e inferior) puede definirse a partir de un polinomio de grado n expresado en coordenadas polares, siendo el origen del sistema de coordenadas el punto focal (p) del reflector primario y el ángulo θ definido como positivo en sentido horario (ver figura 3) con origen angular en la dirección horizontal:
Figure imgf000008_0001
Ambos polinomios (tanto el del borde superior como el del inferior) deben satisfacer la condición siendo d la anchura de la citada rendija
Figure imgf000008_0004
de apertura del absorbedor. Aprovechando la simetría existente respecto al eje vertical que pasa por el punto focal p, sólo es necesario definir estos bordes en uno de los dos cuadrantes que ocupa.
(iii.2) El cierre superior de la pieza de vidrio (9) está constituido por dos paredes planas simétricas y horizontales de vidrio a ambos lados de la lente con forma ovoidal. El espesor de esta pared garantiza la rigidez de la pieza de vidrio. Sin embargo, un exceso de espesor implica un aumento de las pérdidas térmicas por conducción a través de la longitud de esta pared de vidrio. La cara inferior de estos cierres de vidrio puede estar tratada con un recubrimiento selectivo o aislamiento para compensar la alta emisividad del vidrio.
(iii.3) En el límite externo de la pieza de vidrio se encuentra la pared de espesor variable (10) que circunda el borde inferior de la cámara de vacío. La geometría de esta pared posee forma de arco invertido. Tanto el contorno interno como el externo de esta pared sigue un patrón geométrico que puede ser definido en coordenadas polares siendo el origen del sistema de coordenadas el
Figure imgf000008_0005
punto focal del reflector primario (p) (reflector con un ángulo de borde, o rim angle, inferior a 90 grados) y el ángulo θ definido como positivo en sentido horario (ver fig. 3). Atendiendo a la figura 1, el patrón geométrico de cada uno de los dos bordes, queda determinado por una función a trozos continua y derivable definida en el intervalo
Figure imgf000008_0002
1. Trozo 1 , correspondiente a la región I (ver fig. 1 y fig. 2) y definido en el intervalo que pasa por los puntos extremos del intervalo
Figure imgf000008_0003
Figure imgf000009_0001
. Este trozo de la función queda definido por un polinomio con tendencia creciente
Figure imgf000009_0004
2. Trozo 2, correspondiente a la transición entre la región I y II en la
Figure imgf000009_0005
fig. 1). Se trata de un spline (polinomio cúbico) que debe pasar por los puntos inicial y final del intervalo además de
Figure imgf000009_0006
garantizar que la función sea derivable en
Figure imgf000009_0007
3. Trozo 3, correspondiente a la región II (ver fig. 1 y fig. 2) y definido en el intervalo
Figure imgf000009_0002
que pasa por los puntos extremos del intervalo Este trozo de la función queda definido por un
Figure imgf000009_0008
polinomio con tendencia decreciente
Figure imgf000009_0009
4. Trozo 4, correspondiente a la transición entre la región II y III en la
Figure imgf000009_0010
fig. 1). Se trata de un spline (polinomio cúbico) que debe pasar por los puntos inicial y final del intervalo además de
Figure imgf000009_0011
garantizar que la función sea derivable en
Figure imgf000009_0012
5. Trozo 5, correspondiente a la región III (ver FIG. 1 y FIG. 2) y definido en el intervalo que pasa por los puntos extremos del
Figure imgf000009_0013
intervalo
Figure imgf000009_0003
Debido a la tendencia en las regiones I y II de los contornos interno y externo de la pieza de vidrio, se configura una lente convergente con eje curvo cuya función es redireccionar los rayos que inciden de forma más oblicua sobre la rendija de entrada a la cavidad del absorbedor.
Opcionalmente, el absorbedor (2) puede estar recubierto de un aislamiento térmico (5), que reduce hasta niveles despreciables cualquier tipo de pérdida térmica a través perímetro exterior del receptor. Este aislamiento puede quedar cubierto y protegido de los agentes externos por una carcasa protectora (6).
El concepto de receptor de doble cavidad presenta las siguientes ventajas en relación con los receptores de vacío convencionales: (i) Es un diseño más robusto, ya que puede mantener niveles de vacío adecuados durante periodos más largos que los receptores actuales prescindiendo de soldaduras vidrio-metal.
(ii) Puede evitarse la aplicación de un recubrimiento selectivo de alta eficiencia sobre la superficie interior (1) del absorbedor metálico, ya que el vidrio es prácticamente opaco a la radiación térmica y su conductividad térmica es baja. Además, la superficie emisora de radiación (ancho de la rendija de apertura) se reduce respecto al perímetro de un absorbedor convencional.
(iii) En caso de rotura en alguno de los 3 elementos del receptor, no es necesario reemplazar todo el receptor, si no solo el elemento afectado. Esto también facilita cualquier reparación.
(iv) El material de aislamiento térmico (p. ej. lana de roca) hace que no exista flujo de calor por el contorno superior del absorbedor, y por tanto contribuye a reducir la diferencia de temperatura entre el fluido y la pared superior del mismo, limitando el stress térmico al que el receptor se ve sometido. Esto limita los gradientes térmicos en la pared metálica.
(v) No se necesitaría tipo alguno de fuelle, ya que los elementos van encajados, lo que permite el deslizamiento entre la cara superior de la pieza de vidrio y el resto de elementos para compensar los diferentes coeficientes de dilatación.
(vi) La superficie activa de intercambio térmico entre el absorbedor metálico y el fluido (con relación a la sección de paso) es mayor, ya que la geometría del absorbedor puede modificarse sin afectar a la anchura de la rendija de apertura.
(vii) Es mucho más sencilla la instalación de sensores para monitorizar la temperatura y presión interior del absorbedor metálico en diferentes puntos a través del aislamiento superior.
(viii) Las paredes de la cámara de vacío pueden aprovecharse para (mediante paredes de vidrio de espesor variable) redireccionar los rayos de forma que se pueda reducir la anchura de la rendija de apertura del absorbedor metálico. Todas las interfaces que atraviesan los rayos (cuatro interfaces aire-vidro) son activas desde el punto de vista óptico, mejorando el factor de concentración. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN A continuación, en la figura 2 se muestra una realización concreta de la invención, sin que esta suponga una limitación respecto a lo que un experto entenderá como alcance de la invención. En esta puesta en práctica particular, el receptor de la invención está asociado a un reflector primario con una distancia focal de 1.71 m. La geometría de los bordes de la lente ovoidal (8) viene determinada por rsup y rinf para el contorno superior e inferior mediante los siguientes polinomios (ver fig. 3):
Figure imgf000011_0001
donde el radio viene expresado en metros (siendo el origen de la coordenada radial el punto focal p y el término independiente de ambos polinomios coincidente con
Figure imgf000011_0002
Por su parte, el cierre inferior de la cámara de vacío (10) se define de forma análoga. El radio del borde interno rint se define mediante una función continua derivable formada por 5 trozos (ver fig. 1 y fig. 3):
Figure imgf000011_0003
El borde externo rext, se define de forma similar a través del mismo modelo de función expresada en coordenadas polares:
Figure imgf000012_0001
Gracias a esta configuración de la pieza de vidrio, se permite la existencia de una cámara de vacío en el interior de la misma (7). Además, con la finalidad de compensar los diferentes grados de dilatación existentes entre la pieza de vidrio (10) y el absorbedor metálico (2), se debe permitir deslizamiento parcial entre ambas piezas a lo largo del eje longitudinal del receptor. El hecho de que la cavidad principal (4) se encuentre a presión atmosférica facilita el montaje y el mantenimiento del receptor, ya que no es necesario ningún tipo de sello especial entre absorbedor, pieza de vidrio y aislamiento.
Debido a la propia naturaleza de la invención propuesta, el receptor de doble cavidad presenta una reducción drástica de las pérdidas térmicas, a expensas de penalizar el rendimiento óptico debido a la existencia de una segunda pared de vidrio en el trayecto que recorren los rayos solares concentrados (existen cuatro fronteras vidrio- aire). Este hecho implica que este receptor es el diseño más apropiado cuando la temperatura de operación del fluido es muy alta, lo que aconseja el uso de la invención en los tramos finales de los lazos de captadores. De forma general, se aconseja el uso del receptor de doble cavidad en instalaciones donde la temperatura promedio del fluido caloportador sea elevada (>300 °C), además de en sistemas donde sea indispensable mantener la temperatura del fluido en ausencia de radiación solar durante largos periodos (por ejemplo durante la noche) o en sistemas que usen sales fundidas como fluido caloportador.
El concepto de receptor de doble cavidad puede ser aplicado también en sistemas híbridos cuya función sea la de proporcionar aire y fluido caloportador a alta temperatura. Además del fluido caloportador circulando por la sección de paso interior (3), se puede establecer una corriente secundaria e independiente de aire en la cavidad interna (4). Este flujo secundario permite calentar aire, aumentando el coeficiente de transferencia térmico total del receptor. En función de la temperatura del flujo de aire, las pérdidas térmicas pueden descender de forma sensible al reducir la temperatura de la lente ovoidal (8) y recuperar parte de la energía térmica procedente de las pérdidas ópticas de carácter volumétrico.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Receptor para colectores de foco lineal caracterizado por que comprende un absorbedor metálico cóncavo (2) delimitado en su apertura por una rendija de un ancho (d) cubierta por una lente ovoidal (8), limitando el absorbedor y la lente (8) una cavidad principal (4) por debajo de la cual, en dirección al reflector del colector, se encuentra una segunda cavidad (7) sometida a vacío y delimitada por una pieza de vidrio (10) cóncava, conformada por varias regiones en forma de arco invertido de espesor variable, cuyos contornos siguen un patrón definido mediante funciones polinómicas a trozos continuas y derivables.
2. Receptor según la reivindicación 1 caracterizado por que la lente ovoidal (8) tiene un radio de contorno superior e inferior definido como
Figure imgf000014_0009
siendo el origen del sistema de coordenadas el punto focal (p) del reflector primario y estando el ángulo θ definido como positivo en sentido horario, donde el contorno de la pieza de vidrio (10) queda determinado por una función con tres regiones principales I,
II, III, continua y derivable definida en el intervalo según las siguientes
Figure imgf000014_0001
expresiones: a. región I, definida en el intervalo que pasa por los puntos
Figure imgf000014_0002
extremos del intervalo polinomio con tendencia
Figure imgf000014_0003
creciente
Figure imgf000014_0004
b. transición entre las regiones I y II, polinomio cúbico que pasa por los puntos inicial y final del intervalo además de
Figure imgf000014_0005
garantizar que la función sea derivable en
Figure imgf000014_0006
c. región II, definida en el intervalo que pasa por los puntos
Figure imgf000014_0007
extremos del intervalo, polinomio con tendencia decreciente
Figure imgf000014_0008
d. transición entre la región II y III, polinomio cúbico que pasa por los puntos inicial y final del intervalo además de
Figure imgf000015_0003
garantizar que la función sea derivable en y
Figure imgf000015_0004
e. región III, definida en el intervalo que pasa por los
Figure imgf000015_0005
puntos extremos del intervalo
Figure imgf000015_0006
3. Receptor según la reivindicación 2 donde el radio del contorno superior e inferior de la lente ovoidal (8) se definen como:
Figure imgf000015_0001
donde el contorno interno de la pieza de vidrio (10) se define como:
Figure imgf000015_0002
y el contorno externo de la pieza de vidrio (10) se define como:
Figure imgf000015_0007
Figure imgf000016_0001
4. Receptor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el receptor está cubierto por un aislante térmico (8).
5. Receptor según la reivindicación 4 donde el aislante térmico (5) está cubierto por una carcasa protectora (6) y una fracción del contorno interior de la cavidad principal (4) está protegido con un recubrimiento selectivo (1).
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