WO2023062261A1 - Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización - Google Patents

Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización Download PDF

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desalination
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solar
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Juan José Vallejo Tejero
Alejandro Rodríguez Gómez
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Universidad De Málaga
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    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/14—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation using solar energy
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    • Y02A20/212—Solar-powered wastewater sewage treatment, e.g. spray evaporation

Definitions

  • the present invention is part of the technical field of water desalination by phase change, particularly desalination using solar energy.
  • Desalination is the process of separating dissolved minerals (salts) and other undesirable substances contained in brackish or marine waters, to convert them into water suitable for human consumption, water suitable for industrial or agricultural use.
  • dissolved minerals salts
  • Other undesirable substances contained in brackish or marine waters to convert them into water suitable for human consumption, water suitable for industrial or agricultural use.
  • desalination processes currently are the following processes:
  • Reverse osmosis is one of the most prominent and implemented processes. With very expensive facilities, this process uses highly sensitive, expensive membranes and a large amount of electrical energy for its operation, and also generates brine.
  • the present invention is based on the use of renewable energy sources and the improvement in terms of saline residues produced, since these are null (the process does not generate brine).
  • a first object of the present invention constitutes a structure for the condensation and desalination of water by means of solar energy for floating desalination systems.
  • the structure for condensation and misalignment of water has an essentially inverted cone or pyramid geometry whose upper part opens, is extruded or projects outwards.
  • said structure is made of a material with high mechanical and thermal resistance, low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, in such a way that it behaves like a cold body.
  • the solar collectors included in the water condensation and desalination structure are arranged inclined and radially on the internal wall of its geometry to maximize the capture of solar radiation.
  • the evaporator elements are located or connected to the lower ends of the solar collectors, the “lower end” being understood as that end that is oriented towards the center or interior of the structure.
  • the lower part of the geometry of the water condensation and desalination structure is entirely hollow and has such a depth that, when installing a floating system for desalination on water that includes In said structure, the water rises and penetrates a small distance into the lower cavity, which contributes to the buoyancy of the system as a whole, and generating and maintaining a more stable temperature gradient inside the condensation and desalination structure. water by minimizing contact with the body of water located outside the system, which will be at a different temperature.
  • the lower base of the water condensation and desalination structure is delimited by a membrane or permeable surface that performs the filter function, controlling that only water enters the interior of the cavity, protecting the operation of the structure and At the same time preventing any living being from entering the cavity and suffering damage due to the high temperatures that are reached inside.
  • the inner surface of the water condensation and desalination structure has, around its entire contour, a plurality of of channels or grooves through which water descends in a liquid state as a result of the condensation that occurs when the water vapor comes into contact with a cold body, such as the structure of condensation and misalignment of water.
  • the desalinated condensed water collection structure comprises a collecting pipe that connects to the lower base of said condensation and desalination structure.
  • the structure also comprises a pumping structure that allows desalinated water to be transported.
  • a second object of the present invention constitutes a floating system for the desalination of water that comprises the structure for condensation and desalination of water by means of solar energy that constitutes the first object of the invention.
  • the system can include photovoltaic panels.
  • a second object of the invention refers to a floating system for the desalination of water comprising: i. At least one water condensation and desalination structure according to the first object of the invention, which in turn comprises: a. a plurality of solar collectors for collecting solar energy, and b. a plurality of water evaporative elements; and said structure (i) with a layout and geometry such that it allows the evaporator elements (b) to be in contact with the water on which the system floats; in this way promoting the evaporation of the water that covers the evaporator elements, evaporated water that is later condensed and desalinated; and
  • the system comprises a plurality of joints that allow anchoring between adjacent floating modular structures and/or between the at least one floating modular structure and the at least one water condensation and desalination structure.
  • the floating modular structure comprises a plurality of floating modules that facilitate its assembly and maintenance and that allow multiple configurations.
  • said modules are made of a recyclable material, resistant both mechanically and against solar radiation, and respectful of the environment in the sense that it does not degrade or release toxic substances.
  • the floating modular structure presents its center free of floating modules in order to house in said space the at least one water condensation and desalination structure, said structure joined to the floating modular structure by means of unions similar to those that allow the anchoring of said floating modular structure with adjacent floating modular structures.
  • two or more water condensation and desalination structures it is possible for two or more water condensation and desalination structures to be housed in the center of the floating modular structure, of said structures attached to each other as well as, perimetrally, to the floating modular structure in whose center of locate. In this way, it is possible to form an "infinite network" of floating modular structures and water condensation and desalination structures.
  • the system also comprises one or more photovoltaic solar panels supported by / on the structure floating modular system, thus allowing the expansion of the "infinite network" referred to above.
  • Said photovoltaic panels make it possible to obtain energy for, for example, the operation of the pumping structure that allows desalinated water to be transported.
  • FIG. 1 Elevation view of an embodiment of a water condensation and misalignment structure (1) according to the first object of the invention, showing a plurality of vacuum tubes (2) for collecting solar energy, as well as a plurality of joints (3) for anchoring or integration in a floating system, a collector pipe (4) for misaligned condensed water, and a pumping module (5) for the displacement or transport of said water.
  • FIG. 1 Plan view of an embodiment of a water condensation and misalignment structure (1) showing a plurality of vacuum tubes (2) for collecting solar energy, a plurality of anchoring joints (3) or integration into a floating system, as well as a detail of the lower base of said structure in which a hollow cavity (6) and a filtering structure (7) are located in which an opening is made for the collector pipe (4) of desalinated condensed water.
  • FIG. 3 Isometric view of an example of an embodiment of one of the vacuum tubes (2) that constitute the solar collector that is part of the water condensation and desalination structure and at one of its ends an evaporator element (8) is located. .
  • FIG. 4 Isometric view of an example of implementation of the floating system for the desalination of water by means of solar energy object of the present invention showing a structure for condensation and desalination of water (1) according to the first object of the invention as well as a solar panel photovoltaic (9) supported on the floating modular structure (10).
  • FIG. 1 Plan view of an embodiment of a floating modular structure (10) made up of a plurality of floating modules (11), including a detailed view of some of the joints (3) that allow anchoring between floating modular structures adjacent and/or with/between condensation and desalination structures of water.
  • FIG. 6 Elevation view of a cross section of an embodiment of the floating system for the desalination of water by means of solar energy, object of the present invention, showing the modules (11) that make up the floating modular structure (10), the joints (3) that allow anchoring between adjacent floating modular structures and/or water condensation and desalination structures (1), a plurality of vacuum tubes (2) that constitute the integral solar collector of said water condensation and desalination structure, the lower cavity (6) of said water condensation and desalination structure (1), as well as the evaporator elements (8) located at each of the ends of the vacuum tubes (2).
  • the structure for the condensation and desalination of water by means of solar energy for floating desalination systems that is the object of the present invention, as well as a floating system that integrates said structure, are illustrated below by means of the following example of embodiment whose nature is not limiting.
  • the water condensation and desalination structure would be made of borosilicate glass, which has very beneficial properties for the proper functioning of the system, since it must behave like a cold body, withstanding high temperatures, presenting a low thermal conductivity and at the same time a low coefficient of thermal expansion. It also presents a great resistance to thermal stress, high mechanical resistance and good resistance to UV radiation.
  • Figure 1 shows an elevation view of an embodiment of the water condensation and desalination structure using solar energy (1), including a plurality of vacuum tubes (2) as solar collectors, as well as a plurality of unions ( 3) anchoring or integration into a floating system, a collector pipe (4) for misaligned condensed water, and a pumping module (5) for the displacement or transport of said water.
  • the upper part of the structure maintains the same shape than the lower part, unlike the upper part with an outward extrusion angle of 45° and a height of 70 cm, with the intention that the vacuum tubes (2) can protrude from the structure to facilitate the capture of Sun rays.
  • thermosiphon tube heat pipe
  • the heat does not escape and is transferred by convection to the two-phase thermosiphon tube (heat pipe), which works as a heat cycle inside, releasing all the heat by conduction.
  • Heat transfer occurs, increasing the temperature of the water until it reaches its boiling point, in which part of the water passes from a liquid to a gaseous state, becoming vapor, which is dispersed throughout the interior of the condensation structure and desalination (1), which is sealed with a vacuum inside, preventing the escape of gas. It is necessary that the temperature of the water is boiling and does not reach a state of superheated water.
  • the vacuum tubes (2) capture a lot of radiation, causing a very high increase in the temperature gradient, so their properties must be regulated to achieve an optimal working temperature that does not exceed 140 °C, since in this way we would obtain dry steam. .
  • the interior surface of the condensation and desalination structure has some channels or grooves all around it, through which the liquid water spray will descend as a result of condensation, when the water vapor comes into contact with a cold body, such as the condensation and desalination structure.
  • the condensed water is channeled towards the main collecting pipe (4) in charge of collecting the desalinated condensed water for its subsequent transport by means of the pumping structure (8).
  • Figure 2 shows a plan view of an embodiment of the water condensation and desalination structure using solar energy (1), including a plurality of vacuum tubes (2) for collecting solar energy, a plurality of joints (3) for anchoring or integration in a floating system, as well as a detail of the lower base of said structure in which a hollow cavity (6) is located and a perforated sheet as a filtering structure (7) in which a opening for the collector pipe (4) of desalinated condensed water.
  • the lower base is submerged in the water
  • Figure 3 shows an isometric view of an embodiment of one of the vacuum tubes (2) that make up the solar collector that is part of the water condensation and desalination structure and at one of its ends an evaporator element is located ( 8).
  • the vacuum tubes (2) have a height of 1.8 m, which favors being able to protrude from the condenser structure to capture all possible solar radiation. Inside they consist of a two-phase thermosiphon tube, which has a high conductivity and is responsible for carrying out the heat transfer through the evaporator element (8). This heat transfer device combines internal thermal conductivity with a phase change from liquid to vapor that favors heat transport.
  • FIG 4 shows an isometric view of an embodiment of the floating system for desalination of water by means of solar energy, object of the present invention, showing a structure for condensation and desalination of water (1) according to the first object of the invention, as well as a photovoltaic solar panel (9) supported on the floating modular structure (10). Thanks to the photovoltaic solar panel installation (9) it is possible to obtain energy and accumulate it in batteries to transfer it, for example when it is not sunny, to the resistances in order to carry out the evaporation, condensation and desalination process, or to the pumping structure. responsible for transporting desalinated water.
  • FIG. 5 shows a plan view of an embodiment of a floating modular structure (10) made up of a plurality of floating modules (11), including a detailed view of some of the joints (3) that allow anchoring between structures. Adjacent floating modular units and/or with/between water condensation and desalination structures.
  • the modules (11) that make up the floating modular structure are high-density polyethylene (HDPE) cubes. These cubes are joined together by means of specific unions (2), forming a floating assembly with a quadratic base that, in its center, is free of structural modules to make the connection of a water condensation and desalination structure.
  • Each floating modular structure is composed of 48 modules and occupies an area equal to 16 m 2 .
  • the modules (11) of high-density polyethylene (HDPE) that make up the floating modular structure (10) support a resistance of 360 Kg/m2.
  • the floating modular structure (10) does not require special maintenance as it is 100% high-density polyethylene (HDPE), and is also fully recyclable, not harmful and does not harm the environment since it does not contain or release corrosive or oxidizing materials.
  • the polyethylene modules (11) are very light, stable and safe since their surface is non-slip. They are also resistant to UV rays and highly resistant to adverse weather conditions.
  • FIG. 6 shows an elevation view of a cross section of an embodiment of the floating system for the desalination of water by means of solar energy, object of the present invention, showing the modules (11) that make up the floating modular structure (10), the joints ( 3) that allow anchoring between adjacent floating modular structures and/or water condensation and desalination structures (1), a plurality of vacuum tubes (2) that constitute the integral solar collector of said water condensation and desalination structure , the lower cavity (6) of said water condensation and desalination structure (1), as well as the evaporator elements (8) located at each of the ends of the vacuum tubes (2).
  • the water condensation and desalination structure (1) there is an empty extrusion in the shape of an inverted cone, favoring the installation of the solar collectors (2) with the correct inclination to capture the greatest solar radiation per hour of sunshine. .
  • the depth of the cone is such that its lower base is submerged in the water, so that the evaporator elements (8) are in contact with the water that penetrates the condensation and water desalination structure, which is hollow. in its entirety, with a trapezoidal shape of a 4 cm thick sheet, with an internal extrusion angle of 50° and with a depth such that when the structure is introduced into the water, it penetrates a small distance into the cavity (6) .
  • the diameter of the upper base measures 2.6 m and that of the lower base, 0.8 m.
  • the system is not only suitable for desalinating the water on which it is installed but also which also allows the collection of rainwater and its subsequent treatment.
  • One of the reasons for the efficient operation of the present invention compared to existing systems and that constitute the state of the art is that, in the lower base of the cone, the evaporator elements (8) of the solar collectors (3) are installed, which form the vacuum tubes, with an inclination of 50°, as mentioned above.

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Abstract

Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización caracterizada por que presenta una geometría esencialmente de cono o pirámide invertida cuya parte superior se proyecta hacia el exterior, y cuya parte inferior es hueca y abierta para que el agua ascienda y penetre, contribuyendo a la flotabilidad y a la generación y mantenimiento de un gradiente de temperatura; dicha estructura comprendiendo (i) una pluralidad de colectores solares dispuestos de forma inclinada y radialmente sobre la pared interna de la geometría, (ii) una pluralidad de elementos evaporadores conectados en los extremos inferiores de los colectores solares, y cuyos extremos libres entran en contacto con el agua que penetra a través de la parte inferior de la estructura; y (iii) una tubería recolectora que conecta con la parte inferior de la estructura para la recolección del agua condensada desalinizada.

Description

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Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se enmarca en el sector técnico de la desalinización de aguas mediante cambio de fase, particularmente de la desalinización mediante el uso de energía solar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El aumento de la población y el cambio climático ha producido un desequilibrio entre la demanda y el suministro de agua, tanto para abastecer a la población como para la agricultura y la industria. Esta escasez de agua potable se da en muchas zonas que poseen abundantes recursos de agua salobre, ya sean procedentes del mar o bien procedentes de pozos subterráneos. El sur de España y muchos países del Mediterráneo constituyen ejemplos de este tipo de zonas, donde la desalinización del agua de mar podría resolver este problema o al menos contribuir a su solución, favoreciendo su desarrollo y expansión industrial. Estas zonas cuentan con una buena exposición a la radiación solar.
La desalinización es el proceso de separación de minerales disueltos (sales) y otras sustancias indeseables contenidas en las aguas salobres o marinas, para convertirlas en agua adecuada para el consumo humano, agua apta para uso industrial o agrícola. Entre los diferentes procesos de desalinización más extendidos actualmente se encuentran los siguientes procesos:
-Los que realizan un cambio de fase para obtener el agua. Entre los más destacados se encuentra el proceso de destilación por efecto flash, que es el más utilizado a nivel mundial (sobre todo en Oriente Medio), si bien uno de sus principales inconvenientes es el gran coste que implica tanto en términos de necesidades energéticas como de las infraestructuras necesarias. Otro ejemplo es el proceso de destilación solar (Solar-Still), que precisamente es el que constituye la base para el sistema propuesto en la presente invención.
-Los que funcionan sin cambio de fase y utilizan energía mecánica. Entre los procesos más destacados e implantados se encuentra el de osmosis inversa. Con unas instalaciones muy costosas, este proceso utiliza membranas muy sensibles de gran coste y una gran cantidad de energía eléctrica para su funcionamiento, además generan salmuera.
Asimismo, y relacionado con el tema, cabe mencionar las invenciones objeto de las patentes ES2401516 B1 , ES2338205 B1 y ES2355022 B1. Todas estas patentes refieren la desalación del agua conforme al mismo principio que la presente invención aunque difieren en el método de obtención y explotación del agua desalineada resultante. La presente invención, frente a ES2401516 B1 , que es la que más se asemeja al sistema descrito en el presente documento, utiliza tubos de vacío (sistema heat pipe) y no micronebulizadores, aumentando el gradiente de temperatura y evitando la nube de gas que impide el paso de los rayos de sol para realizar la correcta transferencia de calor con el agua a desalinizar.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se basa en el aprovechamiento de fuentes de energías renovables y la mejora en cuanto a residuos salinos producidos, ya que estos son nulos (el proceso no genera salmuera).
Constituye un primer objeto de la presente invención una estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización. En una realización del primer objeto de la invención, la estructura de condensación y desalineación de agua presenta una geometría esencialmente de cono o pirámide invertida cuya parte superior se abre, extruye o proyecta hacia el exterior. En una realización preferida, dicha estructura está fabricada en un material con elevada resistencia mecánica y térmica, baja conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica, de forma tal que se comporte como un cuerpo frío.
En una realización del primer objeto de la invención, los colectores solares comprendidos en la estructura de condensación y desalinización de agua se disponen inclinados y radialmente sobre la pared interna de la geometría de esta para maximizar la captación de radiación solar. En una realización preferida, los elementos evaporadores están ubicados o conectados en los extremos inferiores de los colectores solares, entendiéndose como “extremo inferior” aquel extremo que se orienta hacia el centro o interior de la estructura.
En una realización del primer objeto de la invención, la parte inferior de la geometría de la estructura de condensación y desalinización de agua es hueca en su totalidad y presenta una profundidad tal que, al instalar sobre el agua un sistema flotante para la desalinización que incluya dicha estructura, el agua asciende y penetra una distancia pequeña dentro de la cavidad inferior, lo que contribuye a la flotabilidad del sistema en su conjunto, y generando y manteniendo un gradiente de temperatura más estable en el interior de la estructura de condensación y desalinización de agua al reducir al máximo el contacto con la masa de agua situada fuera del sistema, la cual se encontrará a una temperatura diferente. En una realización preferida, la base inferior de la estructura de condensación y desalinización de agua está delimitada por una membrana o superficie permeable que realiza la función de filtro, controlando que al interior de la cavidad solo entre agua, protegiendo el funcionamiento de la estructura y a la vez evitando que cualquier ser vivo se introduzca en la cavidad y sufra daños a causa de las altas temperaturas que se alcanzan en su interior.
En una realización del primer objeto de la invención, la superficie interior de la estructura de condensación y desalinización de agua presenta, en todo su contorno, una pluralidad de canales o surcos por los que desciende el agua en estado líquido producto de la condensación que se produce cuando el vapor de agua entra en contacto con un cuerpo frío, como es la estructura de condensación y desalineación de agua.
En una realización del primer objeto de la invención, la estructura de recolección del agua condensada desalinizada comprende una tubería recolectora que conecta en la base inferior de dicha estructura de condensación y desalinización. En una realización más preferida, la estructura comprende además una estructura de bombeo que permite transportar el agua desalinizada.
Constituye un segundo objeto de la presente invención un sistema flotante para la desalinización de agua que comprende la estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar que constituye el primer objeto de la invención. Para el caso de circunstancias en las que la radiación solar no sea suficientemente alta, o simplemente como sistema de apoyo, el sistema puede incluir paneles fotovoltaicos.
Conforme a lo anterior, un segundo objeto de la invención se refiere a un sistema flotante para la desalinización de agua que comprende: i. Al menos una estructura de condensación y desalinización de agua conforme al primer objeto de la invención, que comprende a su vez: a. una pluralidad de colectores solares para la recolección de la energía solar, y b. una pluralidad de elementos evaporadores de agua; y dicha estructura (i) con una disposición y geometría tales que permiten que los elementos evaporadores (b) estén en contacto con el agua sobre la que flota el sistema; de esta forma propiciando la evaporación del agua que cubre los elementos evaporadores, agua evaporada que posteriormente se condensa ya desalinizada; y
¡i. Al menos una estructura modular flotante, a la que se ancla o en la que se integra la estructura (i). En una realización del segundo objeto de la invención, el sistema comprende una pluralidad de uniones que permiten el anclaje entre estructuras modulares flotantes adyacentes y/o entre la al menos una estructura modular flotante y la al menos una estructura de condensación y desalinización de agua.
En una realización del segundo objeto de la invención, la estructura modular flotante comprende una pluralidad de módulos flotantes que facilitan su montaje y mantenimiento y que posibilitan múltiples configuraciones. En una realización preferida, dichos módulos están fabricados en un material reciclable, resistente tanto mecánicamente como frente a la radiación solar, y respetuoso con el medio ambiente en el sentido de que no se degrade ni libere sustancias tóxicas.
En una realización del segundo objeto de la invención, la estructura modular flotante presenta su centro libre de módulos flotantes con objeto de alojar en dicho espacio la al menos una estructura de condensación y desalinización de agua, dicha estructura unida a la estructura modular flotante mediante uniones similares a las que permiten el anclaje de dicha estructura modular flotante con estructuras modulares flotantes adyacentes. En una realización más preferida, es posible que en el centro de la estructura modular flotante se alojen dos o más estructuras de condensación y desalinización de agua, de dichas estructuras unidas entre sí así como, perimetralmente, a la estructura modular flotante en cuyo centro de ubican. De este modo, es posible conformar una “red infinita” de estructuras modulares flotantes y estructuras de condensación y desalinización de agua.
En una realización del segundo objeto de la invención, adecuada para el caso de circunstancias en las que la radiación solar no sea suficientemente alta, o simplemente como sistema de apoyo, el sistema comprende además uno o más paneles solares fotovoltaicos soportados por / en la estructura modular flotante, permitiendo por tanto ampliar la “red infinita” referida anteriormente. Dichos paneles fotovoltaicos permiten obtener energía para, por ejemplo, el funcionamiento de la estructura de bombeo que permite transportar el agua desalinizada. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1. Vista en alzado de un ejemplo de realización de una estructura de condensación y desalineación de agua (1 ) conforme al primer objeto de la invención, mostrando una pluralidad de tubos de vacío (2) para la recolección de energía solar, así como una pluralidad de uniones (3) de anclaje o integración en un sistema flotante, una tubería recolectora (4) de agua condensada desalineada, y un módulo de bombeo (5) para el desplazamiento o transporte de dicha agua.
Figura 2. Vista en planta de un ejemplo de realización de una estructura de condensación y desalineación de agua (1 ) mostrando una pluralidad de tubos de vacío (2) para la recolección de energía solar, una pluralidad de uniones (3) de anclaje o integración en un sistema flotante, así como un detalle de la base inferior de dicha estructura en la que se localiza una cavidad hueca (6) y una estructura filtrante (7) en la que se practica una abertura para la tubería recolectora (4) de agua condensada desalinizada.
Figura 3. Vista isométrica de un ejemplo de realización de uno de los tubos de vacío (2) que constituyen el colector solar integrante de la estructura de condensación y desalinización de agua y en cuyo uno de sus extremos se localiza un elemento evaporador (8).
Figura 4. Vista isométrica de un ejemplo de realización del sistema flotante para la desalinización de agua mediante energía solar objeto de la presente invención mostrando una estructura de condensación y desalinización de agua (1 ) conforme al primer objeto de la invención así como un panel solar fotovoltaico (9) soportado sobre la estructura modular flotante (10).
Figura 5. Vista en planta de un ejemplo de realización de una estructura modular flotante (10) constituida por una pluralidad de módulos flotantes (11 ), incluyendo vista en detalle de algunas de las uniones (3) que permiten el anclaje entre estructuras modulares flotantes adyacentes y/o con/entre estructuras de condensación y desalinización de agua.
Figura 6. Vista en alzado de un corte transversal de una realización del sistema flotante para la desalinización de agua mediante energía solar objeto de la presente invención mostrando los módulos (11 ) que componen la estructura modular flotante (10), las uniones (3) que permiten el anclaje entre estructuras modulares flotantes adyacentes y/o estructuras de condensación y desalinización de agua (1 ), una pluralidad de los tubos de vacío (2) que constituyen el colector solar integrante de dicha estructura de condensación y desalinización de agua, la cavidad inferior (6) de dicha estructura de condensación y desalinización de agua (1 ), así como los elementos evaporadores (8) emplazados en cada uno de los extremos de los tubos de vacío (2).
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización objeto de la presente invención, así como un sistema flotante que integra dicha estructura, se ¡lustran a continuación mediante el siguiente ejemplo de realización cuyo carácter no es limitativo. En el caso concreto aquí descrito, la estructura de condensación y desalinización de agua estaría fabricada en vidrio borosilicato, el cual presenta unas propiedades muy beneficiosas para el correcto funcionamiento del sistema, ya que se debe comportar como un cuerpo frío, soportando grandes temperaturas, presentando una conductividad térmica baja y a la misma vez un bajo coeficiente de expansión térmica. Presenta también una gran resistencia al estrés térmico, elevada resistencia mecánica y buena resistencia a la radiación UV.
La figura 1 muestra una vista en alzado de un ejemplo de realización de la estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar (1 ), incluyendo una pluralidad de tubos de vacío (2) como colectores solares, así como una pluralidad de uniones (3) de anclaje o integración en un sistema flotante, una tubería recolectora (4) de agua condensada desalineada, y un módulo de bombeo (5) para el desplazamiento o transporte de dicha agua. La parte superior de la estructura mantiene la misma forma que la parte inferior, a diferencia de que la parte superior presenta un ángulo de extrusión hacia fuera de 45° y una altura de 70 cm, con intención de que los tubos de vacío (2) puedan sobresalir de la estructura para facilitar la captación de rayos de sol. Como su propio nombre indica, al estar el tubo en vacío, el calor no se escapa y se transfiere por convección al tubo termosifón bifásico (heat pipe), el cual funciona como un ciclo de calor en su interior, cediendo por conducción todo el calor absorbido al agua que está en contacto con el elemento evaporador de dicho tubo (2). Se produce una transferencia de calor, aumentando la temperatura del agua hasta llegar a su punto de ebullición, en la que parte del agua pasa de estado líquido a gaseoso, convirtiéndose en vapor, que se dispersa por todo el interior de la estructura de condensación y desalinización (1 ), que se encuentra sellada con un vacío en su interior impidiendo el escape del gas. Es necesario que la temperatura del agua sea la de ebullición y no llegue a un estado de agua sobrecalentada. Los tubos de vacío (2) captan mucha radiación provocando un aumento del gradiente de temperatura muy elevado por lo que se deben regular sus propiedades para lograr una temperatura de trabajo óptima que no supere los 140 °C, ya que de esta manera obtendríamos vapor seco. La superficie interior de la estructura de condensación y desalinización presenta unas canalizaciones o surcos en todo su contorno por donde descenderá el rocío de agua en estado líquido producto de la condensación, al producirse el contacto del vapor de agua con un cuerpo frío, como es la estructura de condensación y desalinización. El agua condensada es canalizada hacia la tubería recolectora (4) principal encargada de recoger el agua condensada desalinizada para su posterior transporte mediante la estructura de bombeo (8).
La figura 2 muestra una vista en planta de un ejemplo de realización de la estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar (1 ), incluyendo una pluralidad de tubos de vacío (2) para la recolección de energía solar, una pluralidad de uniones (3) de anclaje o integración en un sistema flotante, así como un detalle de la base inferior de dicha estructura en la que se localiza una cavidad hueca (6) y una lámina taladrada como estructura filtrante (7) en la que se practica una abertura para la tubería recolectora (4) de agua condensada desalinizada. La base inferior se halla sumergida en el agua, La figura 3 muestra una vista isométrica de un ejemplo de realización de uno de los tubos de vacío (2) que constituyen el colector solar integrante de la estructura de condensación y desalinización de agua y en cuyo uno de sus extremos se localiza un elemento evaporador (8). Los tubos de vacío (2) tienen una altura de 1 ,8 m lo que favorece el poder sobresalir de la estructura del condensador para captar toda la radiación solar posible. En su interior constan de un tubo termosifón bifásico, el cual presenta una gran conductividad y es el encargado de realizar la transferencia de calor a través del elemento evaporador (8). Este dispositivo de transferencia de calor combina en su interior la conductividad térmica con un cambio de fase de líquido a vapor que favorece el transporte de calor.
La figura 4 muestra una vista isométrica de un ejemplo de realización del sistema flotante para la desalinización de agua mediante energía solar objeto de la presente invención mostrando una estructura de condensación y desalinización de agua (1 ) conforme al primer objeto de la invención así como un panel solar fotovoltaico (9) soportado sobre la estructura modular flotante (10). Gracias a la instalación panel solar fotovoltaico (9) es posible obtener energía y acumularla en baterías para cederla, por ejemplo cuando no haga sol, a las resistencias con el objetivo de realizar el proceso de evaporación, condensación y desalinización, o a la estructura de bombeo encargada de transportar el agua desalada.
La figura 5 muestra una vista en planta de un ejemplo de realización de una estructura modular flotante (10) constituida por una pluralidad de módulos flotantes (11 ), incluyendo vista en detalle de algunas de las uniones (3) que permiten el anclaje entre estructuras modulares flotantes adyacentes y/o con/entre estructuras de condensación y desalinización de agua. En el presente ejemplo de realización, los módulos (11 ) que conforman la estructura modular flotante son cubos de polietileno de alta densidad (HDPE). Estos cubos se unen entre si mediante uniones (2) específicas, formando un conjunto flotante con una base cuadrática que, en su centro, se encuentra libre de módulos estructurares para realizar la conexión de una estructura de condensación y desalinización de agua. Cada estructura modular flotante está compuesta por 48 módulos y ocupa un área igual a 16 m2. Justo en su centro de la base se ubicará la estructura de condensación y desalinización, la cual se unirá a la plataforma flotante (10) utilizando las mismas uniones (2) específicas que unen los módulos (11 ). Los módulos (11 ) de polietileno de alta densidad (HDPE) que conforman la estructura modular flotante (10) soportan una resistencia de 360 Kg/m2. La estructura modular flotante (10) no necesita un mantenimiento especial al ser 100% polietileno de alta densidad (HDPE), siendo además reciclables en toda su totalidad, no nocivos y no perjudicando al medioambiente puesto que no contienen ni liberan materiales corrosivos u oxidantes. Los módulos de polietileno (11 ) son muy ligeros, estables y seguros ya que su superficie es antideslizante. Además son resistentes a los rayos UV y muy resistentes a condiciones atmosféricas adversas.
La figura 6 muestra una vista en alzado de un corte transversal de una realización del sistema flotante para la desalinización de agua mediante energía solar objeto de la presente invención mostrando los módulos (11 ) que componen la estructura modular flotante (10), las uniones (3) que permiten el anclaje entre estructuras modulares flotantes adyacentes y/o estructuras de condensación y desalinización de agua (1 ), una pluralidad de los tubos de vacío (2) que constituyen el colector solar integrante de dicha estructura de condensación y desalinización de agua, la cavidad inferior (6) de dicha estructura de condensación y desalinización de agua (1 ), así como los elementos evaporadores (8) emplazados en cada uno de los extremos de los tubos de vacío (2). En la parte superior de la estructura de condensación y desalinización de agua (1 ) se encuentra una extrusión vacía en forma de cono invertido favoreciendo que los colectores solares (2) se instalen con la inclinación correcta para captar la mayor radiación solar por horas de sol. La profundidad del cono es tal que la base inferior de este queda sumergida en el agua, con el fin de que los elementos evaporadores (8) estén en contacto con el agua que penetra en la estructura de condensación y desalinización de agua, que es hueca en su totalidad, con forma trapezoidal de lámina de 4 cm de espesor, con un ángulo de extrusión interior de 50° y con una profundidad tal que al introducir la estructura en el agua, esta penetre una distancia pequeña dentro de la cavidad (6). El diámetro de base superior mide 2,6 m y, el de base inferior, 0,8 m. El sistema no sólo es adecuado para desalinizar el agua sobre la que se instala si no que también permite recoger el agua de lluvia y realizar su posterior tratado. Una de las causas del eficiente funcionamiento de la presente invención frente a sistemas ya existentes y que constituyen el estado de la técnica es que, en la base inferior del cono, se instalan los elementos evaporadores (8) de los colectores solares (3) que conforman los tubos de vacío, con una inclinación de 50°, como se ha mencionado anteriormente. También se consigue aquí evitar la problemática de los sistemas de desalinización conocidos, ya que las nubes de vapor generadas por el aumento de temperatura no afectan al correcto funcionamiento del sistema, puesto que la radiación solar se centra en los colectores solares (3), que están siempre en contacto con la superficie de agua a través de los elementos evaporadores (8). Los sistemas solar still tradicionales aumentan la temperatura del agua por el efecto Invernadero producido por la radicación solar que incide sobre la cubierta transparente, por lo que al pasar el agua a estado gaseoso este delimita el paso de la radiación solar debido a la nube de gas existente. Los sistemas solar still tradicionales tienen una producción entre 1 y 4 litros de agua por m2 de superficie que englobe el sistema. Con el sistema que se propone en la presente invención es posible obtener más cantidad de agua ya que permite aumentar el número de estructuras de condensación y desalinización y estas exhiben un funcionamiento significativamente distinto.

Claims

REIVINDICACIONES Estructura de condensación y desalineación de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalineación caracterizada por que: a. presenta una geometría esencialmente de cono o pirámide invertida cuya parte superior se abre, extruye o proyecta hacia el exterior, y cuya parte inferior es hueca y abierta para que, una vez la estructura se instalada sobre una masa de agua, esta ascienda y penetre, contribuya a la flotabilidad y a la generación y mantenimiento de un gradiente de temperatura; y b. comprende: i. una pluralidad de colectores solares (2) dispuestos de forma inclinada y radialmente sobre la pared interna de la geometría,
¡i. una pluralidad de elementos evaporadores (8) ubicados o conectados en los extremos inferiores de los colectores solares (2), entendiéndose como “extremo inferior” aquel extremo que se orienta hacia el centro o interior de la estructura, y cuyos extremos libres, una vez la estructura se instala sobre una masa de agua, entran en contacto con el agua que asciende y penetra a través de la parte inferior de la geometría de la estructura, y iii. una tubería recolectora (4) que conecta con la parte inferior de la estructura para la recolección del agua desalinizada en estado líquido producto de la condensación. Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización según la reivindicación anterior caracterizada por que los colectores solares (2) sobresalen de la geometría de la estructura para facilitar la captación de rayos de sol. Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización según la reivindicación anterior caracterizada por que los colectores solares (2) consisten en tubos de vacío. Estructura de condensación y desalinización de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que su parte inferior está delimitada por una membrana o superficie permeable que realiza la función de estructura filtrante (7). Estructura de condensación y desalineación de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalinización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que su superficie interior presenta una pluralidad de canales o surcos por los que desciende el agua desalineada en estado líquido producto de la condensación. Estructura de condensación y desalineación de agua mediante energía solar para sistemas flotantes de desalineación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que comprende un módulo de bombeo (5) que permite transportar el agua desalineada en estado líquido producto de la condensación. Sistema flotante para la desalineación de agua caracterizada por que comprende: a. al menos una estructura de condensación y desalineación de agua mediante energía solar (1) conforme cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y b. al menos una estructura modular flotante (10) a la que se ancla o en la que se integra la al menos una estructura de condensación y desalineación de agua mediante energía solar (1). Sistema flotante para la desalineación de agua según la reivindicación anterior caracterizado por que comprende además uno o más paneles solares fotovoltaicos (9) soportados por / en al menos una estructura modular flotante (10).
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EP2690069A1 (en) * 2011-03-22 2014-01-29 Universitat Politècnica de Catalunya Solar desalination plant for sea water, brines or waste water and desalination method
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CN111620401A (zh) * 2020-05-28 2020-09-04 西安交通大学 一种漂浮式太阳能海水淡化-制盐双效装置

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