MX2011008565A - Colector solar parabolico. - Google Patents

Abstract

Un colector solar pasivo utiliza un soporte construido de espuma maquinada con precisión para simplificar la construcción y calibración de la superficie reflectora; mejoras adicionales incluyen colocación basada en sensor, y un receptor que tiene conductos de flujo entrante y flujo saliente adaptados para mejorar la eficiencia térmica.

Description

COLECTOR SOLAR PARABÓLICO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida al campo de colectores solares pasivos, incluyendo mejoras en el soporte para la superficie reflectora del colector y métodos de fabricación, mejoras en el elemento receptor, y controles para mover el colector para rastrear la trayectoria aparente del sol.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA El desarrollo de la tecnología solar promete reducir el daño al ambiente de la tierra producido por la extracción y combustión de combustibles fósiles. Por consiguiente, una mayor atención se ha puesto recientemente en formas para hacer más eficiente y económica esta tecnología.

La energía solar está convencionalmente confinada en una de dos formas: con un dispositivo fotovoltaico, en el cual la radiación solar genera corriente eléctrica directamente; o con un colector solar pasivo, en el cual la radiación solar incide en un receptor que lleva un fluido de transferencia de calor. El fluido de transferencia de calor entonces se puede usar para impulsar una turbina, u otro dispositivo generador de energía.

Las instalaciones de generación de energía solar pasiva se han construido a gran escala en los Estados Unidos, en donde el agua calentada impulsa turbinas que generan energía en el intervalo de 10s a 100s MW por instalación. Sin embargo, la gran escala y complejidad tecnológica de estos aparatos ha impedido su desarrollo. En particular, generalmente no ha sido posible expandir esta tecnología en forma descendente, a aplicaciones en donde se genera menos energía, o en donde el agua calentada se usa para calentar o para agua caliente directamente, a diferencia de la generación de energía. Los reflectores de vidrio y mecanismos de rastreo complejos usados en estas instalaciones de generación de energía son prohibitivamente costosos para el uso final más pequeño.

También existen sistemas de energía térmica solar comerciales operados para uso de temperatura media, en un intervalo de aproximadamente 80°C a aproximadamente 250°C. Típicamente, éstos son colectores planos fijados a una inclinación fija que mira hacia el Sur.

Una solución más eficiente es proveer una superficie reflectora de enfoque en forma de una parábola, de modo que los rayos solares se concentren en un receptor ubicado en la línea focal de la parábola que lleva un fluido de transferencia de calor. El colector pivota para rastrear el movimiento aparente del sol de Este a Oeste.

Un problema con los sistemas de colector de enfoque en el pasado ha sido la dificultad de formar y calibrar una superficie reflectora en la forma parabólica requerida. La superficie curva del reflector en estos aparatos se debe calibrar con precisión, lo que requiere habilidad y entrenamiento.

La patente de E.U.A. No. 5,069,540 propone un método para hacer un colector solar a partir de un molde que usa un material amorfo, de curación dura, tal como estuco o cemento, para enfrentar el problema de mantener una superficie con dimensiones especificadas. La publicación de solicitud de patente de E.U.A. No. 2008/0078380 describe un sistema complicado de ménsulas diseñadas para soportar paneles de reflector a una curvatura dada. Ninguno de estos sistemas provee un sistema confiable y barato para proveer un reflector con una superficie curva deseada.

Por lo tanto, existe una necesidad continua y cada vez más grande de sistemas en donde la curvatura y la posición del reflector puedan ser determinadas en forma rápida y confiable.

Convencionalmente, el elemento receptor de un colector solar pasivo ha sido alojado en un tubo de vidrio evacuado, tal como se describe en la publicación de solicitud de patente de E.U.A. No. 2008/0078380. Dichos dispositivos mejoran la eficiencia del colector al reducir la pérdida de calor de convección del receptor al ambiente circundante, pero dichos sistemas son complejos, costosos y difíciles de mantener. Por lo tanto, en esta técnica existe la necesidad de un elemento receptor que sea eficiente sin requerir un tubo de vacío.

Un colector solar funciona más eficientemente si apunta hacia el sol. Aunque se conocen varios sistemas de rastreo, algunos de los cuales se pueden adaptar para usarse con un colector solar, persiste la necesidad en la técnica de un sistema de rastreo que apunte el colector al sol de modo que la cantidad máxima de radiación solar es recolectada, y de tal manera que la cubierta de nubes temporal, la caída de la noche, y otros incidentes de luz solar baja no causen una falla del sistema para rastrear con exactitud la trayectoria aparente del sol.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un aspecto, la invención es un colector solar parabólico, que comprende: un reflector (que puede estar, por ejemplo, en forma de una artesa parabólica o un disco parabólico) que tiene una línea focal o un punto focal, y un receptor que lleva un fluido de transferencia de calor colocado en la línea focal o punto focal. El reflector es adhesivamente fijado a, y soportado por, una base de espuma. La base de espuma tiene una superficie curva que determina la línea focal o punto focal. Un bastidor rígido soporta la base de espuma y rodea al receptor.

En otro aspecto, la invención es un elemento receptor novedoso para un colector solar que tiene una pluralidad de conductos de flujo entrante que llevan un fluido de transferencia de calor en una primera dirección a lo largo del eje longitudinal del colector solar, y un conducto de flujo saliente en comunicación de fluido con la pluralidad de conductos de flujo entrante que llevan el fluido de transferencia de calor en la dirección opuesta a lo largo del eje longitudinal. Estos conductos de flujo entrante están ubicados arriba y hacen contacto con el conducto de flujo saliente. En modalidades preferidas, un par de conductos de flujo entrante están colocados arriba de un solo conducto de flujo saliente.

En otro aspecto adicional, la invención es un sistema de rastreo y control novedoso para controlar la inclinación de un colector solar. El sistema de rastreo comprende: un motor adaptado para pivotar el colector a un ángulo de inclinación; un sensor óptico; y primer y segundo sensores de calor que están ubicados en lados opuestos (Este y Oeste) de un eje longitudinal definido por el receptor. Un controlador responde al sensor óptico y los sensores de calor para controlar el ángulo de inclinación del reflector.

En las modalidades, un tercer sensor de calor está ubicado entre el primer sensor de calor y el segundo sensor de calor, y abajo del receptor. La inclinación del reflector es controlada, en primera instancia, en una dirección hacia el primer o segundo sensor de calor que detecta una temperatura inferior, tendiendo a reducir al mínimo la diferencia en la temperatura detectada por el primer y segundo sensores de calor. Cuando el tercer sensor de calor detecta una temperatura más alta que la del primer o segundo sensores de calor, entonces el controlador inhibe el movimiento del colector.

El colector se puede proveer con sistemas para capturar o usar el calor recolectado en el colector, incluyendo una bomba de almacenamiento, que responde a los elementos de control, para controlar el flujo de fluido de transferencia de calor a través del receptor, y un tanque de almacenamiento.

Otro aspecto importante de la invención está modalizado en el método de fabricación, incluyendo los pasos de cortar un material de espuma rígido para formar una base de espuma que tiene una superficie de enfoque curva con dimensiones predeterminadas; adherir un material reflector sobre la superficie de enfoque; ensamblar la base y el material reflector en un bastidor; y colocar un receptor que lleva un fluido de transferencia de calor con respecto a la base y bastidor de modo que los rayos solares que inciden sobre la superficie de enfoque son enfocados en el receptor. El paso de cortar el soporte de reflector de espuma permite la fabricación auxiliada por computadora de una superficie del reflector dimensionada con precisión a un costo relativamente bajo, usando un aparato de control numérico por computadora (CNC). Esta técnica resuelve un problema muy esperado en la técnica asociado con el mantenimiento y calibración de la superficie del reflector en un colector solar pasivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en perspectiva de un colector solar de conformidad con la invención.

La figura 2 es una vista en elevación lateral de un colector solar de conformidad con la invención, excluyendo los elementos de montaje.

La figura 3 es una vista detallada de un elemento receptor de conformidad con la invención.

La figura 4 es una vista lateral del elemento receptor, que muestra el patrón de transferencia de calor radiante hacia el receptor desde el reflector, y de transferencia de calor conductora del tubo de flujo saliente del receptor al tubo de flujo entrante del receptor.

La figura 5 es una vista esquemática de un sistema de colector de conformidad con la invención incluyendo componentes del sistema y elementos de control.

La figura 6 es una ilustración de otra modalidad de un colector solar de conformidad con la invención, en forma de un disco parabólico.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS En la modalidad de ejemplo ilustrada en la figura 1 , el reflector 10 está en forma de una artesa parabólica. Son posibles otras superficies de enfoque, tales como un disco parabólico, mostrado en la figura 6.

Como se sabe bien, un reflector parabólico enfoca rayos paralelos de luz a un punto focal. La ecuación general para una parábola es y = ax2, y el punto focal es ¼ a, que es invariante con x. En donde la parábola se extiende para formar una artesa, la ecuación del plano se vuelve y = x2/4/. El punto focal se vuelve una línea focal que, en el aparato acabado, es en donde el receptor 30 está ubicado para recibir los rayos concentrados de luz solar.

En el colector de la figura 1 , el reflector parabólico 0 está hecho de un material altamente reflector, flexible, que es durable, resistente a radiación UV y calor, y que puede ser conformado a la superficie de base de espuma 20. El material actualmente preferido es una hoja de aluminio pulida que tiene un espesor de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 4 mm, muy preferiblemente aproximadamente 1.5 mm, aunque el material exacto usado para el reflector no es crítico para la invención. Se pueden usar láminas delgadas de aluminio que tengan otros espesores, y se pueden usar otros materiales de lámina de metal. Alternativamente, las películas poliméricas revestidas con una película de metal, o de otra manera provistas de una superficie reflectora, se pueden usar como el material reflector. En otra modalidad, se puede aplicar pintura reflectora directamente a la superficie de la base de espuma 20. En modalidades preferidas, el reflector tiene reflectividad de por lo menos aproximadamente 95%, muy preferiblemente mayor que aproximadamente 97% de reflectividad, y muy preferiblemente aún, mayor que aproximadamente 98% de reflectividad.

Las espumas preferidas para construir la base 20 son espumas expandidas termofundibles que se funden a una temperatura relativamente baja de modo que se pueden cortar con un cortador de espuma de alambre caliente que responde a un control numérico por computadora (CNC). Las espumas aceptables incluyen (sin limitación) poliestireno extruido expandido, poliestireno, espuma rígida de baja densidad de polimetacrilimida, espumas de polipropileno expandidas flexibles, y espumas de polietileno. Un material de espuma actualmente preferido para la base es un poliestireno expandido, disponible de Georgia Foam, Inc., Gainesville, GA. La espuma debe ser suficientemente rígida para soportar el reflector sin deformarse, pero suficientemente ligera para ser fácilmente fabricado y transportado. La densidad de los materiales de espuma está preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 8.01 g/l a aproximadamente 160.18 g/l, muy preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 14.42 g/l a aproximadamente 35.23 g/l. Un material actualmente preferido tiene una densidad de aproximadamente 24.03 g/l. Aunque la espuma se ha usado como un aislante en colectores solares de conformidad con la técnica anterior, hasta ahora la espuma no se ha usado como un elemento de soporte estructural. Por lo tanto, un aspecto importante de la presente invención es un componente de espuma que tiene una superficie parabólica, de tal manera que puede ser cortada de conformidad con dimensiones predeterminadas con un aparato CNC. Desde luego, la espuma debe ser tan resistente al calor que no se deforme con la luz solar.

La base de espuma 20 con el reflector adherido 10 se muestra ensamblado en el bastidor 40, que se puede hacer de cualquier material rígido, tal como madera, metal o polímero o combinación de los mismos, capaz de sostener de manera segura la base, y que se puede formar para permitir el ensamble apropiado con el receptor 30, y sistema de montaje 50. Preferiblemente, el bastidor está hecho de lámina de metal, que es ligero, durable y resistente al calor.

Una cubierta transparente 60 sella un espacio por arriba del reflector 10 y el receptor 30, para proteger el reflector y otros elementos del colector del ambiente y para proveer un alojamiento aislado para el receptor. La luz que incide en el receptor puede ser aumentada al máximo usando vidrio templado con bajo contenido de hierro. El vidrio templado con bajo contenido de hierro está disponible de muchos proveedores, y algunas veces se refiere como vidrio muy claro o vidrio ultra-claro. Una hoja estándar de 3 mm de vidrio templado con bajo contenido de hierro preferiblemente tiene una transmitancia mayor que aproximadamente 90% para radiación solar total, muy preferiblemente mayor que 91%, y muy preferiblemente aún una transmitancia de radiación solar total (TS) es 91.6% o mayor.

La provisión de una cubierta 60 en el aparato tiene la ventaja adicional de incrementar la temperatura ambiente alrededor del receptor. Una temperatura en este espacio en un intervalo de 30°C a 90°C es adecuada para aumentar al máximo la eficiencia térmica para muchas aplicaciones. En la técnica anterior, el uso de una cubierta típicamente se evita en favor de sistemas de vacío complicados para aislar el receptor. Se ha encontrado sorprendentemente que el uso de una cubierta como se describe aquí, y la provisión de ciertas mejoras al elemento receptor, suministra la misma a mejor eficiencia térmica a costos significativamente más bajos.

La espuma aislante 12, que puede ser el mismo o diferente material que el material de espuma usado para la base 20, se puede colocar a lo largo de los lados del bastidor 40 por debajo de la cubierta 60. La espuma adicional se puede proveer a lo largo de la pared Norte 92, perpendicular al eje longitudinal del colector.

Una hoja de aluminio pulida reflectora se puede proveer en la pared Sur del colector para enfrentar el problema de la sombra producida por la pared extrema e incrementa la cantidad de radiación incidente enfocada en el receptor.

En la vista en elevación lateral de la figura 2, se muestra una modalidad preferida del receptor 30 que incluye conductos de flujo entrante del receptor 32, 32' y conducto de flujo saliente 34. Estos elementos juntos constituyen el receptor 30, que está montado en un miembro de ventana 70 en la pared lateral del colector. El miembro de ventana permite la instalación del receptor, y para ajustar la posición del receptor con respecto a la superficie curva del reflector.

En la vista detallada del receptor mostrado en la figura 3, se muestra una pluralidad de conductos de flujo entrante 32, 32' que transporta un fluido de transferencia de calor en una primera dirección designada por la flecha 36 junto con el eje longitudinal del colector, mientras el conducto de flujo saliente 34 transporta el fluido de transferencia de calor en la dirección opuesta, designada por la flecha 38. Los conductos de entrada más pequeños están localizados arriba y hacen contacto con el conducto de flujo saliente más grande. Como se muestra en la figura 4, los rayos solares 44 que inciden en el reflector son enfocados en el conducto 34, y los conductos de flujo entrante 32 y 32' están colocados en contacto con el conducto 34 para absorbes calor por conducción, indicado por las lineas 46. Por lo tanto, el diámetro exterior combinado de los conductos de flujo entrante 32, 32' es preferiblemente más grande que el diámetro del conducto de flujo saliente 34. Los conductos de flujo entrante están colocados arriba y hacen contacto con el conducto de flujo saliente para asegurar que la cantidad de calor intercambiado por conducción desde el conducto de flujo saliente es aumentado al máximo.

El receptor se puede proveer con un revestimiento para incrementar la capacidad de absorción para radiación de longitud de onda corta y reducir la capacidad de emisión para una radiación de longitud de onda larga. Esto asegura que el receptor absorba radiación solar bien, comparado con un tubo no revestido, y que no irradia muy bien la energía térmica. Preferiblemente, el receptor tiene una capacidad de absorción de por lo menos aproximadamente 0.88 a longitudes de onda por abajo de 5 mieras, muy preferiblemente la capacidad de absorción es mayor de 0.92 a longitudes de onda por abajo de 5 mieras, y muy preferiblemente mayor que 0.94 a longitudes de onda por abajo de 5 mieras. La capacidad de emisión para la radiación solar total es menor que 0.50, preferiblemente menor que 0.40, muy preferiblemente menor que 0.30 y muy preferiblemente aún menor que 0.10 a temperaturas de operación típicas. Aunque la pintura de cromo negra o similar se puede usar para obtener un beneficio en algunos casos, revestimientos selectivos especializados basados en un aglutinante de polímero de silicón son preferidos, tales como los que están comercialmente disponibles de Solee, Inc., Ewing, NJ bajo el nombre comercial Solkote™ Selective Solar Coating. Los expertos en la técnica reconocerán que la capacidad de absorción y la capacidad de emisión dependen también del espesor del revestimiento aplicado, el material de sustrato y la forma del material del sustrato.

Un colector solar de conformidad con la invención se puede operar a una temperatura en el intervalo de 85°C a aproximadamente 400°C, que se refiere a la temperatura del fluido de transferencia de calor a la salida del receptor. Una señal de inicio de bombeo se fija típicamente a aproximadamente 85°C, ya que poco calor útil puede ser capturado por abajo de esta temperatura. La operación por arriba de 375°C tiende a ser imparcial para mantener a velocidades de flujo razonables, y el equipo del sensor puede estar más sujeto a falla a estas temperaturas altas. El sistema de conformidad con la invención está típicamente adaptado para usarse a temperatura media, en el intervalo de aproximadamente 150°C a aproximadamente 250°C. La temperatura seleccionada para el fluido de transferencia de calor depende de cómo se usa el aparato. Por ejemplo, el secado es una aplicación de baja temperatura que puede requerir un fluido de transferencia de calor que tiene una temperatura de aproximadamente 150°C. Si se requiere agua caliente para uso comercial o residencial, la temperatura puede variar hasta 250°C. La temperatura del fluido de transferencia de calor que sale del receptor es gobernada por la velocidad de flujo. Una velocidad de flujo más lenta permite mayor acumulación de calor en el receptor y una temperatura de salida más alta.

La velocidad de flujo también está relacionada con el volumen del receptor (el área de sección transversal de los conductos de flujo entrante y flujo saliente multiplicado por la longitud del colector). Para las unidades de aproximadamente 2.44 m x 1.22 m descritas, el volumen del receptor puede variar de aproximadamente 1.0 a aproximadamente 3.0 litros. Una velocidad de flujo de fluido de transferencia de calor práctica para un receptor de este tamaño es de aproximadamente 8 l/min a aproximadamente 10 l/min. En donde se usa agua o un fluido de transferencia de calor, la diferencia en temperatura entre la entrada del receptor y la salida del receptor está en el intervalo de aproximadamente 1 °C a aproximadamente 5°C, muy preferiblemente aproximadamente 3°C, pero esta variable es altamente dependiente del uso seleccionado para el aparato.

"Eficiencia térmica" se usa aquí para referirse a la fracción de radiación solar que incide sobre el colector que es capturada como calor. Generalmente, la radiación solar total que incide sobre una superficie es estimada. Los estimados de radiación solar están disponibles por lugar geográfico y tiempo del año de diferentes fuentes. En el ejemplo siguiente, 1000 W/m2 es la radiación solar estimada en el área de Nueva York, NY en el verano, en donde las unidades se probaron. La eficiencia térmica de un colector solar de conformidad con la invención, calculada con respecto a una radiación solar estimada para una región dada y tiempo del año dado, está en el intervalo de aproximadamente 60 por ciento a aproximadamente 70 por ciento.

En algunos casos, un reflector de pared extrema vertical, perpendicular al eje del receptor, se puede proveer en la pared Norte del bastidor. Esto compensa una pérdida de luz reflejada debido a la sombra producida por la pared extrema.

Aunque la descripción anterior se ha limitado a un colector individual, un experto en la técnica entiende que se puede usar una disposición de colectores. Por ejemplo, colectores solares en forma de artesa individuales pueden estar ligados de tal manera que el flujo entrante de una primera unidad de colector sea dirigido hacia y se convierta en el flujo entrante para una segunda unidad de colector, y así sucesivamente. En este contexto, en donde varios colectores se unen en serie, ciertas paredes laterales 92 mostradas en la figura 1 pueden ser omitidas.

La figura 6 ilustra una modalidad de la invención en donde la superficie del reflector está en la forma de un disco parabólico 600. En el caso de un disco parabólico, la base de espuma puede ser construida de segmentos de espuma 602, cada uno de los cuales tiene una curva en una dirección transversal y longitudinal. La ventaja de usar espuma como un material estructural en este contexto es especialmente evidente, ya que las estructuras claramente deben ser especialmente difíciles o imposibles de fabricar a un costo razonable usando metodología de la técnica anterior. El receptor 606, mostrado esquemáticamente, pasa a través de la línea focal, verticalmente a través del vértice de la parábola. Tiras de material reflector 604 son aplicadas adhesivamente a los segmentos de base de espuma 602.

El sistema de montaje 50 está adaptado para permitir el pivoteo del reflector alrededor de una flecha 90. Por ejemplo, el reflector puede pivotar de modo que el reflector complete un arco de hasta aproximadamente 170 grados para rastrear la trayectoria del sol aparente. El motor 54 generalmente tiene suficiente potencia para ejercer 272.4 kg de fuerza de empuje/tiro, suficiente para mover el reflector y evitar que la posición del reflector se mueva por el viento o jaloneo inadvertido. Preferiblemente, el motor 54 es un motor impulsor de CC lineal con un accionador que tiene 980 kg de fuerza de empuje/tiro con 27 volts de potencia. El uso de un motor impulsor lineal se ha hecho posible debido a la base de espuma de peso ligero. El motor lineal representa una mejora significativa sobre motores usados para este propósito en la técnica anterior, que típicamente tienen un engrane y cadena. Estos elementos introducen más "juego" en el sistema y requieren mantenimiento incrementado. El uso de un motor de CC lineal obvia muchos problemas asociados con motores de engrane y cadena.

Los componentes del sistema colector y elementos de control se ilustran esquemáticamente en la figura 5. Un fluido de transferencia de calor circula desde el tanque de almacenamiento primario 400 a través de la bomba de almacenamiento 410 y receptor 30. La bomba de almacenamiento circula el fluido de transferencia de calor cuando el colector está operando, es decir, cuando el colector está apuntando al sol y el fluido de transferencia de calor está siendo calentado. La potencia es suministrada desde una fuente de energía 500. En la noche, y durante otras condiciones que no son de operación, la bomba de almacenamiento 410 recibe una señal de apagado del sensor óptico 440 para regresar el reflector a la condición de estacionamiento, mirando hacia el Este. Una señal de apagado también se puede proveer en el caso de una señal de temperatura baja recibida de un sensor (no mostrado) que detecta la temperatura del fluido de transferencia de calor circulante.

Durante la operación normal, la inclinación del colector es controlada por sensores de calor. En ciertas modalidades preferidas, un primer sensor de calor 420 y un segundo sensor de calor 430 están ubicados en lados opuestos de un eje longitudinal definido por el receptor (generalmente al Este y Oeste del eje, a medida que el sistema de rastreo sigue el sol sobre su trayectoria Este a Oeste). Estos elementos se muestran esquemáticamente en la figura 5, pero su posición con respecto al receptor no se muestra. Un tercer sensor de calor 450 está ubicado entre el primer sensor de calor y el segundo sensor de calor y abajo del receptor. Sobre una base continua, a medida que el colector está rastreando, el ángulo de inclinación del colector es ajustado en una dirección hacia el primer o segundo sensor de calor que detecta una temperatura más baja. El controlador por lo tanto busca reducir al mínimo la diferencia de temperatura entre el primer sensor de calor y el segundo sensor de calor de modo que el reflector esté en la posición óptima para recibir radiación solar. El tercer sensor de calor 450 se usa como un ajuste final, que inhibe el movimiento del motor y fija el ángulo de inclinación del colector, cuando el tercer sensor de calor detecta una temperatura más alta que la temperatura de primero y segundo sensores de calor.

Otros elementos de control incluyen un sensor de temperatura ambiente (no mostrado) para determinar la temperatura en el espacio bajo la cubierta del colector, sensores de temperatura de fluido 460 para determinar la temperatura del fluido de transferencia de calor en diferentes puntos en su trayectoria circulante a través del sistema, especialmente a la salida del receptor. El elemento de control del motor 470 se usa para enviar señal al motor para detener e iniciar respuesta a señales de los sensores, como se describe aquí. Las señales de los sensores se proveen al controlador mediante los relevadores 492, 444 y 446.

Un sensor óptico 440 también se puede usar para controlar la orientación del colector. Por ejemplo, la caída de la noche puede ser detectada y el colector puede ser regresado a la inclinación predeterminada que mira al Este, esperando el amanecer, traslapando los sensores de calor. Cuando llega la mañana, un sensor óptico puede generar otra señal, usada para colocar el colector de manera que los sensores de calor por lo tanto puedan determinar el ángulo de inclinación óptimo. El sensor óptico también puede generar ciertas señales de traslape en situaciones, por ejemplo, cubiertas por nubes.

Por lo tanto, el sensor óptico se provee para ajuste grueso del ángulo de inclinación. No controla la fijación del ángulo de inclinación después de que la temperatura umbral es detectada por lo menos por un primer sensor de calor o el segundo sensor de calor; y el primer, segundo y tercer sensores de calor se proveen para ajuste fino del ángulo de inclinación.

Un método preferido para hacer un colector solar de conformidad con la invención comprende los pasos de: cortar una superficie curva en una base de espuma en forma de una artesa parabólica definida por la ecuación general y = x2/4/ (en donde / es la longitud focal), adherir un material reflectivo, flexible a la base de espuma; ensamblar la base de espuma y el material reflector en un bastidor; colocar un receptor próximo a la línea focal de la artesa parabólica; y proveer una fuente de fluido de transferencia de calor que circula en un bucle cerrado a través del receptor. Excepto como se expone más adelante, el orden de estos pasos no es crítico.

La espuma es preferiblemente poliestireno expandido (EPS) que tiene una densidad de aproximadamente 24.027 g/l, provisto convenientemente del fabricante en bloques de 2.44 m x 1.22 m x 1.22 m.

Un método preferido de corte de la base de espuma 20, de modo que tenga la forma de una artesa parabólica, implica el uso de CNC. CNC es una herramienta de máquina controlada por computadora -un dispositivo mecánico energizado que fabrica componentes por la remoción selectiva de material que responde a comandos programados. Un aspecto importante de la invención ha sido en la selección de materiales que son adecuados para usarse en un aparato CNC, y en particular un aparato CNC de alambre caliente, de modo que esta tecnología pueda ser integrada en la fabricación de colectores solares a un costo relativamente bajo. Los métodos de CNC de alambre caliente se han usado convencionalmente para fabricar prototipos de espuma, pero hasta ahora no se han adaptado para formar elementos estructurales de una base de colector solar.

Un cortador de espuma de alambre caliente consiste de un alambre de metal tirante delgado, a menudo hecho de nicromo o de acero inoxidable, o un alambre más grueso preformado en una forma deseada, que es calentado mediante resistencia eléctrica a aproximadamente 200°C. La preforma se provee en una tabla de x-y que tiene la capacidad para moverse de conformidad con las dimensiones programadas en la máquina CNC. Las dimensiones son provistas convenientemente a la máquina en forma de un archivo de diseño asistido por computadora (CAD). A medida que el alambre pasa a través del material que ha de ser cortado, el calor del alambre vaporiza el material justo en anticipación del contacto. Es preferido, pero no crítico que la base de espuma se forme como una sola pieza o en piezas que determinen las propiedades focales del reflector.

Después de la superficie parabólica de la base de espuma se corta, el material reflector flexible es adherido a la base de espuma 20. Como un asunto práctico, el material de metal de lámina de aluminio pulido sólo puede ser conformado en forma precisa a la superficie de la espuma con un adhesivo. Un adhesivo adecuado se puede seleccionar de aquellos conocidos en la técnica y convencionalmente usados en construcción. Una característica importante del método de conformidad con la invención es que la base, un miembro estructural, está hecha de espuma, que es formada a dimensiones precisas a costo reducido usando una máquina cortadora CNC.

EJEMPLO Un colector de artesa parabólica de trabajo se hizo con los materiales y de conformidad con los métodos descritos anteriormente. La base de espuma se cortó de una sola pieza de 2.44 x 1.22 m x 1.22 m de espuma de poliestireno expandida. Utilizando una sola preforma aseguró dimensiones exactas para la superficie reflectora. Las dimensiones de la base de espuma fueron provistas al aparato CNC de alambre caliente en forma de un archivo de CAD. Por lo tanto, la longitud global de la base fue de aproximadamente 2.44 m y la anchura fue de 1.22 m.

El reflector se formó a partir de lámina de aluminio pulida, que fue recibida del fabricante en forma de hoja que tenía una anchura de 125.73 cm. El reflector se adhirió a la base de espuma con líquido adhesivo Liquid Nail®. Después de aplicarse a la base, la anchura del reflector (lado a lado) fue de aproximadamente 116.84 cm y el área de reflector fue de aproximadamente 2.76 m2.

El bastidor fue provisto con agujeros para el elemento receptor sobre la pared lateral Sur del bastidor y el reflector y la base se ensamblaron en el bastidor. Se proveyó aislamiento en los lados del bastidor paralelos al eje longitudinal del colector, por arriba de la superficie de la base y por abajo de la cubierta. El reflector y base se ensamblaron como una unidad en el bastidor. La distancia desde la parte inferior del bastidor a la cubierta fue de aproximadamente 45.72 cm. El peso total de la base, reflector y bastidor fue de aproximadamente 30.87 kg. El aislamiento se proveyó en la pared en el lado Sur del bastidor, y una superficie de aluminio pulida reflectora se pegó en el lugar en la pared de lateral Norte del bastidor.

Para colocar el receptor a lo largo de la línea focal del colector, el punto focal calculado se marcó en la pared en lados opuestos del colector. Una vez que el receptor fue colocado en la posición calculada, y la radiación solar incidió sobre el tubo, la posición se ajustó usando un sensor de temperatura y colocando el receptor en la posición en donde la temperatura más alta fue registrada.

Una bomba y un tanque de almacenamiento de 283.87 litros se incluyeron para circular agua que se usó como el fluido de transferencia de calor. Se midió la temperatura del agua que entra y sale del receptor. A una velocidad de flujo constante de 638.71 litros por minuto, se observó una diferencia de temperatura de 3°C entre el flujo entrante y el flujo saliente. El volumen del receptor fue de aproximadamente 1.5 litros. La temperatura exterior promedio fue de 20°C. La temperatura promedio en el espacio bajo la cubierta fue de aproximadamente 45°C. En estas condiciones, el colector generó calor en una cantidad de 0.643 kW/m2. La radiación solar directa estimada para el área de Nueva York durante el período de operación fue de 1000 Watts/m2 (basado en datos públicamente disponibles). Por lo tanto, la eficiencia térmica de la unidad fue del 64.3 por ciento.

El colector fue orientado con el eje longitudinal corriendo de Norte a Sur. El controlador respondió a una señal de luz baja del sensor óptico para regresar la unidad al estado estacionado, mirando hacia el Este, esperando la salida del sol. El controlador se fijó de modo que la operación de la bomba iniciara cuando la temperatura del agua en el receptor alcanzara 85°C. El rango de movimiento completo del colector fue de 170 grados, Este a Oeste. El movimiento del reflector fue controlado por un motor de CC lineal.

El ejemplo anterior no pretende ser limitante. Un experto en la técnica podrá llevar a escala ascendente o descendente el diseño.

La descripción anterior de las modalidades preferidas es únicamente para fines de ilustración y no pretende ser limitante de la invención, que está definida por las reivindicaciones anexas.

Claims (26)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un colector solar parabólico, que comprende: un reflector parabólico que tiene una línea focal o un punto focal; un receptor colocado en la línea focal o un punto focal del reflector que lleva un fluido de transferencia de calor; a base de espuma adhesivamente fijado a, y que soporta el reflector, la base de espuma que tiene una superficie curva que determina la línea focal o punto focal; y un bastidor rígido que soporta la base de espuma y que rodea al receptor.

2. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la base de espuma está formada en una forma de una artesa parabólica, y el receptor está ubicado a lo largo de una línea focal paralela a un eje longitudinal de la artesa parabólica.

3. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la base de espuma está formada en una forma de un disco parabólico, y el receptor pasa a través de un punto focal y un vértice del disco parabólico.

4. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la base de espuma está construida de una espuma que tiene una densidad en el intervalo de aproximadamente 8.01 g/l a aproximadamente 160.18 g/l.

5. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la base de espuma es poliestireno expandido que tiene una densidad en un intervalo de aproximadamente 14.42 g/l a aproximadamente 35.23 g/l.

6. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende adicionalmente una cubierta de vidrio que sella un espacio arriba del reflector y el receptor.

7. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la cubierta de vidrio es vidrio con bajo contenido de hierro.

8. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende adicionalmente aislamiento térmico a lo largo de lados opuestos del bastidor que se extienden verticalmente de la base a la cubierta.

9. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el reflector es un material de una hoja de aluminio pulida.

10. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el receptor comprende una pluralidad de conductos de flujo entrante individuales para transportar fluido de transferencia de calor en una primera dirección a lo largo del eje longitudinal del colector solar, y un conducto de flujo saliente que transporta fluido de transferencia de calor calentado en una segunda dirección a lo largo del eje longitudinal del colector solar, opuesto a la primera dirección; en donde dichos conductos de flujo entrante están ubicados arriba y en contacto con el conducto de flujo saliente, y en donde el conducto de flujo saliente tiene un diámetro más grande que el diámetro de los conductos de flujo entrante individuales.

11. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el receptor es revestido con un revestimiento basado en polímero de silicón y la capacidad de absorción del receptor revestido para radiación solar que tiene una longitud de onda menor que 5 mieras es por lo menos 88 por ciento.

12. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende adicionalmente una flecha fijada al bastidor y operativamente conectada a un motor, de modo que el bastidor puede ser pivotado alrededor de la flecha para producir un ángulo de inclinación del reflector entre aproximadamente 10 grados y aproximadamente 170 grados con respecto a la horizontal.

13. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque el motor es un motor de CC lineal.

14. - El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un sistema de rastreo que incluye: (1) un motor adaptado para ajustar un ángulo de inclinación del reflector alrededor de la flecha; (2) por lo menos un sensor óptico; (3) por lo menos dos sensores de calor; y (4) un controlador que recibe una señal de los sensores de calor y el sensor óptico y operativamente conectado con el motor para fijar el ángulo de inclinación del reflector.

15.- El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente, por lo menos un primer sensor de calor y un segundo sensor de calor, cada uno del primer y segundo sensores de calor estando ubicados en lados opuestos de un eje longitudinal definido por el receptor, y en donde la inclinación del reflector alrededor del sistema de montaje es controlado en una dirección hacia el primer o segundo sensor de calor que detecta temperatura más baja.

16.- El colector solar parabólico de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque comprende adicionalmente un contenedor de almacenamiento de fluido de transferencia de calor, una bomba, un fluido de transferencia de calor circulante, y por lo menos un sensor de temperatura de fluido adaptada para medir la temperatura del fluido de transferencia de calor, en donde el controlador responde a una señal del sensor de temperatura para controlar la operación de la bomba; en donde el controlador responde a una señal de luz baja del sensor óptico para controlar la operación del motor para regresar el ángulo de inclinación del colector a un estado estacionado.

17. - Un receptor para un colector solar parabólico adaptado para ser colocado a lo largo de un eje longitudinal del colector, que comprende: una pluralidad de conductos de flujo entrante que lleva un fluido de transferencia de calor en una primera dirección a lo largo del eje longitudinal; y un conducto de flujo saliente en comunicación de fluido con la pluralidad de conductos de flujo entrante y que lleva el fluido de transferencia de calor en una segunda dirección a lo largo del eje longitudinal, opuesto a la primera dirección, en donde los conductos de flujo entrante están ubicados arriba y en contacto con el conducto de flujo saliente, en donde el diámetro del conducto de flujo saliente es más grande que el diámetro de los conductos de flujo entrante individuales, y en donde el diámetro exterior combinado de los dos conductos de flujo entrante es mayor que el diámetro del conducto de flujo saliente.

18. - El receptor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque comprende adicionalmente un revestimiento basado en polímero de silicón, que produce una capacidad de absorción del receptor para radiación solar a longitudes de onda menores que 5 mieras de más de 0.88.

19. - Un sistema de rastreo y control en un colector solar parabólico que tiene un receptor ubicado a lo largo de la línea focal en un eje longitudinal del mismo, en donde el reflector está adaptado para movimiento de pivote alrededor del eje longitudinal para obtener diferentes ángulos de inclinación, el sistema de rastreo y control comprendiendo: un motor adaptado para pivotar el colector a un ángulo de inclinación; un sensor óptico; un primer sensor de calor ubicado en un primer lado del eje longitudinal definido por el receptor; un segundo sensor de calor ubicado en un lado del eje longitudinal opuesto al primer lado; y un controlador que responde al sensor óptico, el primer sensor de calor y el segundo sensor de calor para fijar el ángulo de inclinación del reflector.

20. - El sistema de rastreo y control de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende adicionalmente un tercer sensor de calor ubicado bajo el receptor y entre el primer y segundo sensores de calor, el controlador respondiendo a una señal del tercer sensor de calor de modo que la acción del motor es inhibida cuando la señal de temperatura del tercer sensor de calor es más alta que la temperatura detectada por el primer o el segundo sensores de calor.

21. - El sistema de rastreo y control de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el sensor óptico se provee para ajuste grueso del ángulo de inclinación y no controla la fijación del ángulo de inclinación después de que un umbral de temperatura es detectado por lo menos por el primer sensor de calor o el segundo sensor de calor; y en donde el primer sensor de calor y el segundo sensor de calor se proveen para ajuste fino del ángulo de inclinación, el movimiento del ángulo de inclinación siendo en una dirección hacia el primer o segundo sensor de calor que detecta el calor más bajo, de modo que el ángulo de inclinación se fija para reducir al mínimo la diferencia de temperatura entre el primer sensor de calor, y aumentar al máximo la temperatura detectada por el tercer sensor de calor.

22 - El sistema de rastreo y control de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende adicionalmente un sensor de temperatura del fluido adaptado para medir la temperatura de un fluido de transferencia de calor en el receptor, y en donde el sistema de control responde a una señal del sensor de temperatura del fluido.

23. - Un método para fabricar un colector solar parabólico, que comprende los pasos de: cortar un material de espuma rígido para formar un segmento de base de espuma que tiene una superficie parabólica de dimensiones predeterminadas; ensamblar la base en un bastidor; adherir un material reflector sobre la superficie de enfoque; y colocar un receptor que lleva un fluido de transferencia de calor con respecto a la base y bastidor en el punto focal o línea focal de la superficie parabólica, por lo que los rayos solares que inciden en la superficie de enfoque son enfocados en el receptor.

24. - El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque el paso de cortar un material de espuma rígido es conducido al proveer un archivo de diseño auxiliado por computadora (CAD) a una máquina de corte de control numérico por computadora (CNC) para formar una superficie parabólica.

25. - El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque la espuma es poliestireno expandido que tiene una densidad en un intervalo de aproximadamente 14.42 g/l a aproximadamente 35.23 g/l.

26.- El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque la máquina de CNC es programada para cortar la superficie de enfoque curva en forma de una artesa parabólica para formar una base de espuma de una pieza.