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WO2011151483A1 - Receptor para central solar con espejos longitudinales - Google Patents

Receptor para central solar con espejos longitudinales Download PDF

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WO2011151483A1
WO2011151483A1 PCT/ES2011/000171 ES2011000171W WO2011151483A1 WO 2011151483 A1 WO2011151483 A1 WO 2011151483A1 ES 2011000171 W ES2011000171 W ES 2011000171W WO 2011151483 A1 WO2011151483 A1 WO 2011151483A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
receiver
radiation
longitudinal
central
mirrors
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/ES2011/000171
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
José María MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA
Manuel VALDÉS DEL FRESNO
Alberto Abanades Velasco
R. Rubén AMENGUAL MATAS
Javier MUÑOZ ANTÓN
Mireia Piera Carrete
María José MONTES PITA
Antonio Rovira De Antonio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED
Universidad Politecnica de Madrid
Original Assignee
Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED
Universidad Politecnica de Madrid
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Publication date
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Priority to EP11789289.3A priority patent/EP2578963A4/en
Publication of WO2011151483A1 publication Critical patent/WO2011151483A1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the invention falls within the field of solar power plants that require concentration of the original radiation, which in this case is reflected by a series of longitudinal, horizontal or slightly inclined mirrors, and orientable by rotating around its axis of longitudinal symmetry ; focusing the radiation reflected on a similarly longitudinal receiver, with its long horizontal axis or slightly inclined, and with some inclination in a transverse direction.
  • the receiver is intended to transfer a substantial part of the energy that carries the photons of the solar radiation that affects the receiver to a fluid.
  • the receiver will have an active surface or face with adequate optical and thermal properties, consisting of having a high absorptivity to solar radiation, and a low own emissivity. That active face must be thermally connected to a set of parallel tubes, whose axes are in turn parallel to the longitudinal mirrors.
  • a heating fluid that transports the absorbed solar heat to a useful purpose, which will be a thermal application, and in particular a thermodynamic cycle, which will be applied to a high-temperature thermo-solar power plant, usually dedicated to Electricity generation
  • the outer surface of the tubes on which the radiation affects may be the active face of the receiver, although other configurations are possible.
  • the geometric and thermal structure of the receiver is a key factor to achieve the desired objective, which requires a high heat uptake by said fluid, called a calorific, so that the fluid reaches the temperatures required by the thermal application.
  • This invention is very directly related to two other inventions, whose first inventor is the same first inventor of this application.
  • the first one is a specific antecedent that concerns the recipient, and it is the Spanish patent ES 2 321 576 B2, granted on October 13, 2009 (BOPI) and which was applied for on 12.31.2008, with the number P200803767.
  • a compensated expansion and pressure receiver is presented, suitable for receiving radiation on a facade type surface, although of geometry adaptable to the field of mirrors from which the radiation receives.
  • the second invention is another application of the same owner and the same inventors as this one, entitled SOLAR RADIATION CONCENTRATION DEVICE, WITH LONGITUDINAL MIRRORS AND RECEIVER, presented at the SPTO with No. P201000644. It establishes the prescriptions of position, size and curvature of the mirrors, as well as position and size of the receiver, although without giving any prescription about the content of the latter, since said solar radiation concentration device can be applied to any finish. Conversely, the receiver of the solar thermal power plant established in the present invention can operate with the radiation concentrated by any longitudinal configuration device. Two antecedents of fields of mirrors and longitudinal receptors are referenced below, which, being very close in time, are very representative of the state of the art.
  • WO 2009/029277 A2 poses a conventional Fresnel configuration with muititube receiver, and numerous configuration variants, although without numerical mounting requirements, and with very generic claims; using flat mirrors in its figures 3 and 4, and concave, without specifying more, in 12, also treating the configuration of hydraulic circuits in the muititube receiver, although without grouping them in beams with different function for receiving different intensity levels, because does not take into account the natural opening of sunlight; and WO 2009/023063 A2 deals with a receiver inclined with respect to the ground, with an asymmetric structure to favor the capture of radiation, but also does not address bundle grouping, to effect a progressive heating of the heating fluid, without unnecessary entropy generation .
  • a fundamental physical fact is that the solar radiation is not perfectly collimated, but that it comes from the solar disk, which has an optical aperture from the Earth that is worth 32 '(sexagesimal minutes) being its intensity practically uniform throughout the disk, as corresponds to radiation emitted perfectly diffused from a spherical surface.
  • This opening means that the radiation incident at a point on the surface Earth is not simply composed of a ray coming from the sun, but is a cone of rays whose conical angle is worth precisely the 32 'mentioned above. Therefore, and depending on the principle of reflection of light, from the point in question not a single ray emerges, but a set of rays, or beam, of opening exactly equal to that of the incident beam, that is, 32 '.
  • This aperture is equivalent to 0.0093 radians (or 1 / 107.5 radians) which means that, when the beam travels relatively long distances, the surface of its straight section becomes increasingly large, which produces a low intensity in the solar radiation absorber receiver.
  • the surface intensity distribution shows significant variations, since it is greater in the central area, towards which the reflected light beams are focused, and is less towards the periphery of the active face of the receiver, where the intensity decreases like the wings of a bell curve.
  • a low value of the radiation received prevents the heating fluid, which circulates through the tubes of the radiation absorbing receiver, from reaching high temperatures, because they are not reached by the active face.
  • the maximum absolute temperature that can reach the active face of a receiver like the one raised here depends on the following factors:
  • A absorptivity of the active face to solar radiation.
  • E emissivity of the active face (which depends to some extent on the temperature of the active face itself).
  • temperature compensation occurs, which is averaged with the weights of the heat capacities; entropy is increased, and exergy is reduced; which means that mixing at different temperatures, by conduction or at the flow level, goes against the objectives of a thermal application.
  • the technical problem that this invention comes to solve is to use the radiation reflected by a longitudinal mirror concentrating device, in such a way that high values in the energy and exergetic yields are achieved, despite the differences in radiation intensity received in the central and peripheral part of the active face of the recipient.
  • the receiver With the antecedent of a receiver of radiation embedded in a drawer of special characteristics to be of compensated expansion and pressure, the costs of production of thermal energy at high temperature, from solar radiation, can be significantly reduced, and all this thanks to obtaining on the receiver a sufficiently high concentration of solar radiation, with a field of mirrors of great simplicity and very easy maintenance and cleaning.
  • the receiver has the advantages of not needing rotary joints in the radiation absorption tubes, or welding between the tubes and their glass covers, as the parabolic trough collectors in the market need today, which are the conventional configuration, but with weak points as indicated.
  • the invention consists in configuring the solar thermal power plant with the following elements:
  • a solar radiation receiver longitudinally, consisting of parallel tube bundles contained within a compensated expansion and pressure drawer-manifold, of length much greater than its width, the active face being the set of the outer surfaces of the tubes where the radiation strikes, or the active face or surface where the radiation strikes, thermally connected to the surface of the tubes, and said receiver may be constituted by a consecutive set of longitudinal drawers, preferably of compensated expansion and pressure, interconnected successively for the passage of the heating fluid, said tubes having a horizontal longitudinal path, or with the inclination given to the mirrors; said tubes grouped, in a transverse direction, in at least three longitudinal beams, there being a central beam of longitudinal tubes, and at least two adjacent beams, one on each side of the central beam, these being able to go in the same drawer or in adjacent drawers , but in any case without mixing its currents of heating fluid during its passage through the receiver; the central and adjacent beams having a longitudinal thermal insulator between them, which separates them;
  • the receiver being the percentage distribution of the total active surface of the receiver, between the central beam of tubes and adjacent beams, a value selected between the central beam occupying 99% of the active surface, and the rest adjacent; and that the central beam occupies 20%, the adjacent ones occupying the rest; giving as reference value for the distribution 50% of the active surface occupied by the central beam, and the adjacent beams each occupying, on one side and the other, 25% of the total active surface of the receiver;
  • each mirror constituting a direct solar radiation concentrating device, and whose prescriptions are not part of this invention, although these devices are essential for the operation of the plant.
  • a solar power plant there can be a plurality of these receiver-mirror assemblies, which will be parallel to each other; being able to have equal or different lengths, according to the orography of the land; and these assemblies can be hydraulically connected to each other, through the heating fluid circuit, either in series or in parallel, depending on the thermo-hydraulic design that you want to follow in each plant, although the reference assembly is the hydraulic connection in parallel, each collector taking the fluid from the pipe that arrives from the thermal application, with the relatively cold fluid, and sending the fluid, once heated, to the return pipe to said application.
  • a fundamental issue in the invention is that the central beams of each receiver receive the concentrated radiation at the highest level, while the adjacent beams receive the peripheral radiation, concentrated at a lower level, since the focus prescription of the mirrors is established at each moment.
  • the normal to each mirror, at the center point of its straight section is the bisector of the angle formed by the solar ray incident at that point and the line that joins said point with the central point of the receiver's straight section, that straight section corresponding to the same section, transverse to the longitudinal axis, corresponds to that of the straight section of the mirror; all expressed in the work plane.
  • the invention can preferably be realized in two geographical configurations: according to the local meridian, or North-South, and according to the local parallel, or East-West.
  • a dual assembly is used as a reference configuration, with two joint symmetrical receivers, opposite each other, with the respective active faces Looking at the corresponding field of mirrors.
  • the receivers serve as a round trip in the hydraulic circuit of the heating fluid, which will be heated by the radiation reflected by the two parallel mirror fields, one of them reflecting at that time on the first receiver, and the other field, on the other side of the receivers, on the second receiver. In this way, the difference that may exist between one field of mirrors and the other will be compensated by the solar situation of that moment.
  • variants are prescribed that do not follow that conformation, and that only use a receiver, with its corresponding field of mirrors, only on the one hand, which is that of its active face.
  • the heating fluid flows first through the adjacent beams of one of the receivers, specifically the one that at that time receives less radiation intensity from the two, passing then to the adjacent beams of the receiver of the other side, which, longitudinally, passes the whole of the heating fluid of both beams, to the central beam of the first receiver; flowing along it, to then pass to the central beam of the second receiver; which concludes the heating process of the heating fluid, thereby optimizing the heating process, to achieve the highest possible temperature with the solar conditions, taking advantage of the area with the highest concentration of radiation for final heating.
  • the heating fluid circulates first in parallel through the adjacent beams, in one direction, and returns the fluid in its entirety through the central beam of the same receiver, in the opposite direction, to which is injected into the central beam from the adjacent ones.
  • a variant of fluid circulation in the dual assemblies is that the fluid does not pass from one receiver to another, in a double round trip, but instead circulates as in the case of a single receiver, independently by one and another receiver, circulating the fluid first calorific in parallel by the adjacent beams, in one direction, and returning the fluid in its entirety by the central beam, in the opposite direction, for which it is injected into the central beam from the adjacent ones.
  • the corresponding set of pumps and controllable valves external to the receiver itself, but essential for the operation of the invention.
  • the width of the active surface of the receiver is determined based on the natural opening of the solar radiation of 0.0093 radians, and the distance in a straight line from the center point of the last field mirror to the point central of the receiver, and specifically corresponds to 1% of said distance, as a reference value for said width, being able to choose higher values, up to 5%, or smaller, up to 0.1%, without the principle of the invention It is violated, although the benefits of the plant are different from those obtainable with the reference value, which produces benefits always close to the optimum.
  • the receiver is constructed, in the base version, with a trapezoidal straight section, its outer surface being transparent, or transparent window, of greater width than the width of the active face in which the radiation is absorbed, and which is thermally connected or coincides with the tube bundles, central and adjacent, inside which the heating fluid circulates.
  • These bundles of tubes are held in their positions by the tubular elbows that pass through the receiver's drawer, which is suspended from the holding rods or gantries through the connecting piece.
  • the drawer has opening side walls, at the end of which the joints in which the transparent window is clinging are located.
  • Said side walls have an opening, at the lower end, parallel to the line that joins that end of the active face with the closest point of the mirror closest to the receiver, the opening being, at the upper end, parallel to the line that it joins that end of the active face with the furthest point of the furthest mirror from the receiver, all expressed in the work plane.
  • the central and adjacent beams have a longitudinal thermal insulator that separates them, in order to minimize the loss of high temperature heat that involves the transfer of heat from the central to the adjacent ones, which would go against the good exergy balance of the system .
  • a structural variant is that the longitudinal tube bundles of the receiver are arranged obliquely between them, leaving the entire angle at which the radiation covered by the active surface of the tubes arrives, thanks to the coating provided by the beams, even having a small shadow area of the end of a beam on the adjoining, of extension no greater than half the radius of the shadow tube, without physical contact between the ends of both beams, and being able to interpose between them, without physical contact with both at the same time, pieces of thermal insulation that also prevent the passage of convection currents, in case there is filling gas in the receiver drawer.
  • the width of the active face of the receiver is the distance between the end points of adjacent beams on each side.
  • the set of beams does not have to be symmetrical with respect to the central point, although the symmetry can have constructive advantages.
  • the most extreme ray of radiation reflected above affects the upper extreme point of the active face, and the most extreme ray of radiation reflected below affects the lower extreme point.
  • the intensity of the radiation that passes through the transparent window is achieved, which is never perfectly transparent, is less than the intensity received by the active face. This reduces the thermal load by the radiation deposited on the transparent surface, which is important, as it is not a refrigerated element.
  • the transparent surface can be made of partial windows, each covering a beam, and may not be flat, but vaulted, either with a semicircular straight section, or with a straight ogival section; the intermediate supports of the partial windows coinciding with the thermal insulators separating the central beam from the two adjacent ones.
  • the viewing angle of the central point of the receiver from the center point of the furthest mirror is selected in a range of values between 10 ° and 80 °, with optimal value of 45 °, measured on the horizontal of the place; and the inclination of the active face of the receiver being determined because the segment that marks said surface in the work plane is perpendicular to the bisector of the field, said bisector being that of the angle formed by the lines that go, respectively, from the central point from the active face of the receiver to the center point of the mirror closest to the receiver, and to the center point of the farthest mirror.
  • Figure 1 shows a diagram, in a straight section, of the solar power plant, which corresponds to both an assembly according to the meridian, and a double assembly according to the parallel, with a set of mirrors to the North and another to the South of the respective collectors , in this case.
  • Figure 2 shows the three-dimensional scheme of a receiver-mirror assembly in the assembly according to the parallel, arranged north of the parallel in the northern hemisphere.
  • Figure 3 shows a cross section of the solar receiver, in the geometry of the invention, where the four central tubes form the central beam, and on each side, the two end tubes form the corresponding adjacent beams.
  • Figure 4 shows a cross section of the solar receiver, similar to the previous one, but with the adjacent tube bundles inclined with respect to the main beam, which allows better thermal separation between them, and not losing the ability to capture radiation, due to the insulator.
  • Figure 5 shows the profile of the intensity received on the active face of the receiver, with a maximum in the center, which corresponds to the central point of the transverse section of the receiver.
  • Figure 6 shows the scheme of circulation of the heating fluid in the basic assembly of two receivers mounted geometrically in parallel and hydraulically in series, with the active faces facing outward.
  • Figure 7 shows the scheme of circulation of the heating fluid in the assembly of a receiver, or two of them parallel and opposite, but operating independently in the hydraulic regime.
  • FIG. 8 shows the longitudinal scheme of a compensated expansion and pressure manifold, in which the circulation of the heating fluid goes from left to right. In reality, the assembly is much longer in the longitudinal direction, from left to right, than from top to bottom of the drawing.
  • Figure 9 shows a cross section of the solar receiver, in the variant of separating the bundles of tubes in adjacent drawers, although the physical separation between them, insulator included, is much smaller than the width of each beam, and is not to scale in the drawing.
  • the windows of each beam are ogival or semicircular in its straight section.
  • Abscissa axis of the work plane which is the horizontal line that passes through the central point of the nearest mirror (5) to the receiver (1), and is therefore perpendicular to the ordinate axis (10).
  • Main body of the receiver drawer (1) Clamping element of the drawer (24), which joins the piece (16) in the receiver's support rods or pillars (1).
  • Transverse width of the active face (2) of the receiver (1) where the concentrated radiation (6) affects.
  • Transverse width of the active face (2) of the receiver corresponding to the adjacent beam (22).
  • First receiver in a dual mount which corresponds to the one that receives the lowest radiation intensity.
  • Second receiver in a dual mount.
  • Hydraulic connectors from the relatively cold fluid pipe from the thermal application which enter the adjacent beams of the first receiver (43).
  • Receiver mounted alone, or in dual arrangement, but with independent heating fluid circuit.
  • Hydraulic connectors from the relatively cold fluid pipe from the thermal application which enter the adjacent beams of the insulated receiver (54).
  • Hydraulic connector to the heated fluid pipe that goes to the thermal application, from the central beam (58) of the insulated receiver (54).
  • the invention requires having a set of tall pillars or rods
  • the receiver (1) is an elongated drawer, collector type of expansion and compensated pressure, on whose active surface (2), highly absorbent to solar radiation (4), the reflected radiation (6) affects each mirror (7) of the set.
  • the tubes (19) through which the heating fluid passes are grouped into at least three hydrodynamically independent beams, one central (20), which as a reference value occupies the central half of the active surface of the receiver (1), and two others adjacent, on one side (21) and on the other (22) of the central (20), each occupying 25% of the active surface (2), as a reference value.
  • Figure 3 represents a cross-section of this arrangement, remembering that the receivers are positioned as indicated in Figures 1 and 2.
  • the set of beams has a certain cavity shape, and the entire angle through which the radiation arrives is covered by the active surface of the tubes
  • a coating is made with the beams that produces even a small area of shadow of the end of a beam on the contiguous one, with an extension not greater than half the radius of the shadow tube, but sufficient so that no radiation is lost in the interstices that must be between the beams to prevent heat transfer from the central to the adjacent ones.
  • the drawer (24) is constructed with a trapezoidal straight section, its transparent outer window (28) being wider than the width of the rear wall, the drawer (24) having side walls in opening, at the end of which They place the seals (31) in which the transparent window (28) clings, the tube bundles being held in their positions by the tubular elbows (63) and (66) and their collecting cylinders (73) and (74) that cross the drawer (24) of the receiver (1), which is suspended from the rods (8) or holding frames through the connecting pieces (16), (25).
  • Figure 5 represents the profile, transverse on the active face (2), of intensity I (40), in W / m 2 , incident on said face, in which there will be a portion of it (36) in the that the incident intensity (40) is non-zero, distinguishing the surface (37) corresponding to the central beam (20), in which the value of the intensity is notoriously greater than in the surfaces (38) and (39) corresponding to the adjacent beams (21, 77) and (22, 78) that are physically separated from the central beam (20), and thermally insulated therefrom through longitudinal insulators (23) that establish thermal separations (41) and (42) between the heat deposited per unit area in the central beam (20) and the adjacent ones (21) and (22), these thermal separations (41) and (42) materializing by means of the pieces (75) and (76) in the case of using adjacent drawers to differentiate the beams, and by means of parts (79) and (80) in the case of oblique beam assemblies.
  • Each receiver drawer (24) (1) is made with measures in accordance with the mechanical strength of the material used, the drawers (24) being arranged successively, which is used to absorb the expansions and contractions of the tubes (9), thanks to its angled connections of input (67) and output (68), as seen in Figure 8, which is presented as an illustrative complement, but on which there is no directly claimable element.
  • the fluid comes, through the collection duct (67), from the exit of the previous drawer or from the arrival pipe from the thermal application; and through a collecting cylinder (73) it is distributed through the tubes (19) of the beam in question.
  • the central beam (20) being distinguished with its specific transparent window (60), separated from the adjacent ones (21 ) and (22) with their respective windows (61) and (62) which are proposed ogival or semicircular to better mechanically resist the existence of interior vacuum.
  • the beams (20), (21), (22) are separated by the thermal separations (75) and (76) in which the windows (60), (61), (62) are embedded. Against these separations support the pressure joints (65) of the collector cylinders with hemispherical heads, which rotate slightly to absorb the changes in length in the tubes (19) and also support them in their position.
  • Each mirror is made to follow the same pattern of rotation specifications to provide the approach to the associated sun of the invention, and that is done using the mirror-like tool (7) at its central point, in the projection of the mirror on The work plane.
  • the mirror (7) is rotated until it is normal coincides with the bisector of the angle formed by the central ray of the solar beam incident at the central point of the mirror (7), and the line that joins said central point of the mirror with the central point (3) of the active surface (2) of the receiver (1), all expressed in the projection in the optical or work plane.
  • the inclination of the active surface (2) of the receiver (1) is defined because this surface is normal to the field bisector from the central point (3) of the active face (2) of the receiver (1), said bisector being the of the angle that is formed with the straight lines that go from the central point (3) of the active face (2) of the receiver (1), to the central point (34) of the nearest mirror (5) to the receiver (1), and to the center point (35) of the furthest mirror (32).
  • the height of the central point (3) of the active face (2) of the receiver (1) by elementary geometric orientations it is advisable to narrow the viewing angle of the central point of the receiver from the central point (35) of the mirror more far, above the horizontal of the place, at a value selected between 10 ° and 80 °, with an optimum value of 45 °.
  • the fluid is circulated through adjacent beams (46) of the first face, which is what is receiving lower radiation intensity, having received the fluid from the conduction pipes that provide it (45), relatively cold, from the thermal application; and, after that first step, they are directed, by an external connection (48) to the adjacent beams (49) of the second receiver (44), whereby the preheating phase is completed, in which the values of the zones are used peripherals (38, 39) of the radiation sent by the field of mirrors (7) and which affects the active face (2) of the receiver; the fluid then entering from the adjacent beams (49) of the second receiver (44), through an external connection (50), in the central beam (47) of the first receiver (43), where the levels of the concentrated radiation are higher in intensity (37), measured in watts per unit area, which causes the fluid to acquire higher temperatures, and this greater heating is completed in the passage of the fluid through the central beam (52) of the second receiver ( 44), which arrives from the
  • the fluid enters the adjacent beams (56) through the collection (55) of fluid from the supply pipe that comes from the thermal application, circulates in one direction through the beams adjacent (56) and, at the end of that first step, it is injected, by means of an external connection (57), into the central beam (58), where it is heated to high temperature and sent to the collection pipe (59) that leads to thermal application.
  • the design of such a plant will play with the length of the receivers to total the desired thermal energy collection, but this magnitude is not everything.
  • the temperature reached is very important, which is what gives the heated heating fluid a high exergy; and, for this, the invention contains that division of the active surface into at least the three aforementioned beams. If the fluid passed through all the tubes mixing from time to time or almost continuously, the fluid of the central tubes would lose its temperature when mixed with the peripheral, low temperature, and the result of that mixture, like any other, would be a increased entropy and a loss of exergy. Hence, the heating process is carried out in a gradual and hierarchical manner in this invention, achieving not only that the heating fluid carries an appreciable amount of thermal energy, but that it is at a high temperature, which is very useful for obtaining good thermodynamic results

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Abstract

Receptor para central solar con espejos (7) y receptores (1) longitudinales horizontales, cuyos ejes de giro y de simetría (14) son paralelos al eje largo del receptor de la radiación, que está constituido por un colector de dilatación y presión compensadas, cuyos tubos (19) van agrupados en haces independientes, central (20) y adyacentes (21 y 22), aislados térmicamente entre sí longitudinalmente, circulando el fluido calorífero primero por ambos haces adyacentes en paralelo, para ser inyectado a continuación en el haz central, donde la intensidad de radiación recibida es mayor por recibir la radiación del conjunto de espejos enfocados sobre la línea media de la cara activa (2) del receptor, pudiendo cada haz de tubos ir cubierto por una ventana transparente (28) independiente (60, 61, 62).

Description

RECEPTOR PARA CENTRAL SOLAR CON ESPEJOS LONGITUDINALES
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales, horizontales o levemente inclinados, y orientables por girar alrededor de su eje de simetría longitudinal; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor asimismo longitudinal, con su eje largo horizontal o levemente inclinado, y con cierta inclinación en sentido transversal.
El receptor está destinado a transferir a un fluido una parte sustancial de la energía que porta los fotones de la radiación solar que incide en el receptor. Para ello el receptor tendrá una superficie o cara activa con unas propiedades ópticas y térmicas adecuadas, consistentes en tener una alta absortividad a la radiación solar, y una baja emisividad propia. Esa cara activa habrá de estar conectada térmicamente con un conjunto de tubos paralelos, cuyos ejes son paralelos a su vez a los espejos longitudinales. Por el interior de los tubos circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, que será una aplicación térmica, y en particular un ciclo termodinámico, que se aplicará a una central termo-solar de alta temperatura, usualmente dedicada a la generación de electricidad. La propia superficie exterior de los tubos en la que incide la radiación puede ser la cara activa del receptor, aunque son posibles otras configuraciones. En todo caso, la estructura geométrica y térmica del receptor es un factor clave para conseguir el objetivo buscado, que requiere una alta captación de calor por parte de dicho fluido, denominado calorífero, para que el fluido alcance las temperaturas requeridas por la aplicación térmica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Esta invención está relacionada muy directamente con otras dos invenciones, cuyo primer inventor es el mismo primer inventor de esta solicitud. La primera de ellas es un antecedente específico que atañe al receptor, y es la patente española ES 2 321 576 B2, concedida el 13 de octubre de 2009 (BOPI) y que fue solicitada el 31.12.2008, con el n° P200803767. En esta invención se presenta un receptor de dilatación y presión compensadas, idóneo para recibir radiación en una superficie tipo fachada, aunque de geometría adaptable al campo de espejos del que recibe la radiación.
La segunda invención es otra solicitud del mismo titular y los mismos inventores que ésta, titulada DISPOSITIVO DE CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR, CON ESPEJOS Y RECEPTOR LONGITUDINALES, presentada en la OEPM con n° P201000644. En ella se establecen las prescripciones de posición, tamaño y curvatura de los espejos, así como posición y tamaño del receptor, aunque sin dar prescripción alguna sobre el contenido de éste, dado que dicho dispositivo de concentración de la radiación solar se puede aplicar a cualquier fin. Recíprocamente, el receptor de la central solar térmica establecido en la presente invención puede funcionar con la radiación concentrada por cualquier dispositivo de configuración longitudinal. A continuación se referencian dos antecedentes de campos de espejos y de receptores longitudinales, que por ser muy cercanos en el tiempo son muy representativos del estado del arte.
La solicitud internacional WO 2009/029277 A2 plantea una configuración Fresnel convencional con receptor muititubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones numéricas de montaje, y con reivindicaciones muy genéricas; usando espejos planos en sus figuras 3 y 4, y cóncavos, sin especificar más, en la 12, tratando también la configuración de circuitos hidráulicos en el receptor muititubo, aunque sin agrupar éstos en haces con función diferente por recibir diferentes niveles de intensidad, pues no tiene en cuenta la apertura natural de la luz solar; y la WO 2009/023063 A2 trata de un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación, pero igualmente no aborda la agrupación por haces, para efectuar un calentamiento progresivo del fluido calorífero, sin generación innecesaria de entropía.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER
Un hecho físico fundamental es que la radiación solar no está perfectamente colimada, sino que procede del disco solar, que tiene una apertura óptica desde la Tierra que vale 32' (minutos sexagesimales) siendo su intensidad prácticamente uniforme en todo el disco, como corresponde a radiación emitida de forma perfectamente difusa desde una superficie esférica. Esta apertura significa que la radiación incidente en un punto de la superficie terrestre no está compuesta simplemente de un rayo procedente del sol, sino que es un cono de rayos cuyo ángulo cónico vale precisamente los 32' antes mencionados. Por ende, y en función del principio de reflexión de la luz, desde el punto en cuestión no emerge un solo rayo, sino un conjunto de rayos, o haz, de apertura exactamente igual a la del haz incidente, es decir, 32'. Esta apertura equivale a 0,0093 radianes (ó 1/107,5 radianes) lo que significa que, cuando el haz recorre distancias relativamente largas, la superficie de su sección recta deviene cada vez más grande, lo que produce una baja intensidad en el receptor absorbedor de la radiación solar.
Más aún, cuando en la cara activa del receptor se superponen las radiaciones reflejadas por varios espejos, con objeto de incrementar la intensidad de la radiación, que se expresa en W/m2 en el sistema SI, la distribución superficial de la intensidad muestra importantes variaciones, pues es mayor en la zona central, hacia la cual se enfocan los haces de luz reflejada, y es menor hacia la periferia de la cara activa del receptor, donde la intensidad decrece como las alas de una curva de campana.
Un bajo valor de la radiación recibida impide que el fluido calorífero, que circula por los tubos del receptor absorbedor de radiación, alcance altas temperaturas, porque no las alcanza ni la cara activa. De hecho, la máxima temperatura absoluta que puede alcanzar la cara activa de un receptor como el aquí planteado, depende de los siguientes factores:
A = absortividad de la cara activa a la radiación solar.
E= emisividad de la cara activa (que depende en cierta medida de la propia temperatura de la cara activa).
I = intensidad (W/m2) de la radiación recibida
La máxima temperatura absoluta T, en K (Kelvin) alcanzable con esas condiciones es
T = (A I-108/5,67 E)1M
La ecuación anterior obedece a suponer que no existe en la cara activa del receptor otro mecanismo de transferencia de calor que la radiación; lo cual implica que el rendimiento de captación de calor por parte del fluido sería nulo. En la realidad, una gran parte del calor será transferido al fluido, y además habrá pérdidas de convección y conducción, por lo que la T real de un receptor quedará siempre por debajo de la antedicha; que presenta la ventaja de evidenciar la dependencia de la temperatura respecto de la intensidad, I. En términos cualitativos se puede decir que, en un balance térmico completo de un receptor, la temperatura de la cara activa del mismo y la temperatura del fluido serán mayores con intensidades más altas, si se mantienen constantes los demás factores que intervienen.
Por otra parte, si las zonas distintas de la cara activa que reciben diversa intensidad, intercambian dicha energía, pasando el calor de las partes más calientes a las menos calientes, se uniformiza la temperatura, se incrementa la entropía y se reduce la exergía, lo cual redunda negativamente en los rendimientos energético y exergético del fin útil del receptor, que es calentar el fluido calorífero hasta alta temperatura, y en caudal suficiente.
Análogamente, si dos corrientes de fluido a distinta temperatura se mezclan, se produce una compensación de temperatura, que se promedia con los pesos de las capacidades caloríferas; se incrementa la entropía, y se reduce la exergía; lo cual significa que efectuar mezclas a distinta temperatura, por conducción o a nivel de caudal, va en contra de los objetivos de una aplicacción térmica.
Así pues, el problema técnico que esta invención viene a resolver es utilizar la radiación reflejada por un dispositivo concentrador de espejos longitudinales, de tal modo que se consigan altos valores en los rendimientos energético y exergético, a pesar de las diferencias de intensidad en la radiación recibida en la parte central y en la periférica de la cara activa del receptor.
Con el antecedente de un receptor de radiación embebido en un cajón de características especiales para ser de dilatación y presión compensadas, se pueden abaratar significativamente los costes de producción de energía térmica a alta temperatura, a partir de radiación solar, y todo ello gracias a obtener sobre el receptor una concentración suficientemente alta de la radiación solar, con un campo de espejos de gran sencillez y muy fácil mantenimiento y limpieza. Asimismo el receptor présenta las ventajas de no necesitar juntas rotativas en los tubos de absorción de la radiación, ni soldaduras entre los tubos y sus cubiertas de vidrio, como necesitan los colectores cilindro-parabólicos hoy día en el mercado, que son la configuración convencional, pero con puntos débiles como los señalados. EXPLICACION DE LA INVENCION
La invención consiste en configurar la central solar térmica con los siguientes elementos:
un receptor de radiación solar, de forma longitudinal, constituido por unos haces de tubos paralelos contenidos dentro de un cajón-colector de dilatación y presión compensadas, de longitud mucho mayor que su anchura, siendo la cara activa el conjunto de las superficies exteriores de los tubos donde incide la radiación, o estando la cara o superficie activa donde incide la radiación, conectada térmicamente con la superficie de los tubos, y pudiendo estar dicho receptor constituido por un conjunto consecutivo de cajones longitudinales, preferiblemente de dilatación y presión compensadas, interconectados sucesivamente para el paso del fluido calorífero, teniendo dichos tubos una trayectoria longitudinal horizontal, o con la inclinación que se dé a los espejos; agrupándose los citados tubos, en sentido transversal, al menos en tres haces longitudinales, habiendo un haz central de tubos longitudinales, y al menos dos haces adyacentes, uno por cada lado del haz central, pudiendo ir éstos en el mismo cajón o en cajones adyacentes, pero en todo caso sin mezclarse sus corrientes de fluido calorífero durante su paso por el receptor; teniendo los haces central y adyacentes un aislante térmico longitudinal entre sí, que los separa;
siendo el reparto de porcentaje de la superficie activa total del receptor, entre el haz central de tubos y los haces adyacentes, un valor seleccionado entre que el haz central ocupe el 99% de la superficie activa, y el resto los adyacentes; y que el haz central ocupe el 20%, ocupando los adyacentes el resto; dando como valor de referencia para el reparto el 50% de la superficie activa ocupada por el haz central, y los haces adyacentes ocupando cada uno, a un lado y otro, el 25% de la superficie activa total del receptor;
y estando dicho receptor, soportado en alto por pilares o pórticos estructurales, en general arriostrados transversalmente, con una altura sobre el terreno acorde con la reflexión de la radiación reflejada por los espejos;
y un conjunto de espejos longitudinales, siendo el eje longitudinal de simetría de cada espejo paralelo al eje longitudinal del receptor, constituyendo un dispositivo concentrador de la radiación solar directa, y cuyas prescripciones no forman parte de esta invención, aunque estos dispositivos son imprescindibles para el funcionamiento de la central.
En una central solar puede haber una pluralidad de estos conjuntos receptor-espejos, que serán paralelos entre sí; pudiendo tener longitudes iguales, o distintas, según la orografía del terreno; y pudiendo estar conectados hidráulicamente estos conjuntos entre sí, a través del circuito del fluido calorífero, bien en serie bien en paralelo, en función del diseño termo-hidráulico que se quiera seguir en cada central, aunque el montaje de referencia es la conexión hidráulica en paralelo, tomando cada colector el fluido de la tubería que llega desde la aplicación térmica, con el fluido relativamente frío, y enviando el fluido, una vez calentado, a la tubería de retorno a dicha aplicación.
Una cuestión fundamental en la invención es que los haces centrales de cada receptor reciben la radiación concentrada al mayor nivel, mientras que los haces adyacentes reciben la radiación periférica, concentrada a menor nivel, pues se establece la prescripción de enfoque de los espejos en cada momento expresada por que la normal a cada espejo, en el punto central de su sección recta, es la bisectriz del ángulo formado por el rayo solar incidente en ese punto y la recta que une dicho punto con el punto central de la sección recta del receptor, correspondiendo esa sección recta al mismo corte, transversal al eje longitudinal, que el de la sección recta del espejo; todo ello expresado en el plano de trabajo.
La invención puede materializarse preferentemente en dos configuraciones geográficas: según el meridiano local, o Norte-Sur, y según el paralelo local, o Este-Oeste.
En ambas disposiciones, según el meridiano o según el paralelo, se emplea un montaje dual como configuración de referencia, con dos receptores simétricos conjuntos, opuestos entre sí, con las respectivas caras activas mirando al correspondiente campo de espejos. En ese montaje básico, pero no único en la invención, los receptores sirven de ida y vuelta en el circuito hidráulico del fluido calorífero, que será calentado por la radiación reflejada por los dos campos de espejos paralelos, uno de ellos reflejando en ese momento sobre el primer receptor, y el otro campo, al otro lado de los receptores, sobre el segundo receptor. De esta manera se compensará la diferencia que pueda existir entre un campo de espejos y el otro por situación solar de ese momento. No obstante, se prescriben variantes que no siguen esa conformación, y que sólo usan un receptor, con su correspondiente campo de espejos, sólo por un lado, que es el de su cara activa.
En el montaje dual, o de referencia, con dos receptores opuestos por sus caras de atrás, el fluido calorífero fluye primero por los haces adyacentes de uno de los receptores, concretamente el que en ese momento recibe menor intensidad de radiación de los dos, pasando después a los haces adyacentes del receptor de la otra cara, recorrida la cual longitudinalmente, pasa el conjunto del fluido calorífero de ambos haces, al haz central del primer receptor; fluyendo a lo largo de él, para pasar después al haz central del segundo receptor; con lo que finaliza el proceso de calentamiento del fluido calorífero, optimizándose de esa manera el proceso de calentamiento, para conseguir la temperatura más alta posible con las condiciones solares que haya, aprovechando la zona de más alta concentración de la radiación para el calentamiento final.
En la disposición con un solo receptor y un sólo conjunto de espejos, el fluido calorífero circula primero en paralelo por los haces adyacentes, en un sentido, y retorna el fluido en su totalidad por el haz central del mismo receptor, en sentido contrario, para lo cual es inyectado en el haz central desde los adyacentes.
Una variante de circulación de fluido en los montajes duales es que el fluido no pase de un receptor a otro, en ida y vuelta doble, sino que circule como en el caso de un solo receptor, independientemente por uno y otro receptor, circulando el fluido calorífero primero en paralelo por los haces adyacentes, en un sentido, y retornando el fluido en su totalidad por el haz central, en sentido contrario, para lo cual es inyectado en el haz central desde los adyacentes.
Para forzar al fluido calorífero a estos movimientos a lo largo de los circuitos descritos, se dispone del correspondiente conjunto de bombas y válvulas controlables, exteriores al receptor en sí, pero imprescindibles para el funcionamiento de la invención.
La anchura de la superficie activa del receptor, denominada R, se determina en función de la apertura natural de la radiación solar, de 0,0093 radianes, y de la distancia en línea recta desde el punto central del último espejo del campo hasta el punto central del receptor, y concretamente corresponde a un 1 % de dicha distancia, como valor de referencia para dicha anchura, pudiéndose escoger valores mayores, hasta el 5%, o menores, hasta el 0,1 %, sin que el principio de la invención se vulnere, aunque las prestaciones de la central sean distintas de las obtenibles con el valor de referencia, que produce prestaciones siempre cerca del óptimo.
El receptor se construye, en la versión base, con sección recta trapezoidal, siendo su superficie exterior transparente, o ventana transparente, de mayor anchura que la anchura de la cara activa en la que se absorbe la radiación, y que está conectada térmicamente o coincide con los haces de tubos, central y adyacentes, por dentro de los cuales circula el fluido calorífero. Estos haces de tubos se mantienen en sus posiciones por los codos tubulares que atraviesan el cajón del receptor, que está suspendido de los báculos o pórticos de sujeción a través de la pieza de unión. El cajón tiene unas paredes laterales en apertura, en el extremo de las cuales se ubican las juntas en las que se aferra la ventana transparente. Dichas paredes laterales tienen una apertura, en el extremo inferior, paralela a la recta que une ese extremo de la cara activa con el punto más cercano del espejo más cercano al receptor, siendo la apertura, en el extremo superior, paralela a la recta que une ese extremo de la cara activa con el punto más lejano del espejo más lejano al receptor, expresado todo ello en el plano de trabajo.
Los haces central y adyacentes tienen entre sí un aislante térmico longitudinal que los separa, con objeto de minimizar la pérdida de calor de alta temperatura que comporta la transferencia de calor del central a los adyacentes, lo cual iría en contra del buen balance exergético del sistema.
Una variante estructural consiste en que los haces de tubos longitudinales del receptor se disponen con oblicuidad entre ellos, quedando todo el ángulo por el que llega la radiación cubierto por la superficie activa de los tubos, merced al recubrimiento que proporcionan los haces, habiendo incluso una pequeña zona de sombra del extremo de una haz sobre el contiguo, de extensión no mayor a la mitad del radio del tubo en sombra, sin que exista contacto físico entre los extremos de ambos haces, y pudiéndose interponer entre ellos, sin contacto físico con ambos a la vez, unas piezas de aislante térmico que además impiden el paso de corrientes de convección, en el caso de que exista gas de llenado en el cajón del receptor.
La anchura de la cara activa del receptor es la distancia que hay entre los puntos extremos de los haces adyacentes por cada lado. El conjunto de haces no tiene por qué ser simétrico respecto del punto central, aunque la simetría puede tener ventajas constructivas. El rayo más extremo de radiación reflejada por arriba incide en el punto extremo superior de la cara activa, y el rayo más extremo de radiación reflejada por abajo incide en el punto extremo inferior.
Mediante esta disposición trapezoidal se consigue que la intensidad de la radiación que atraviesa la ventana transparente, que no es perfectamente transparente nunca, sea menor que la intensidad que recibe la cara activa. Eso reduce la carga térmica por la radiación depositada en la superficie transparente, lo cual es importante, por no ser un elemento refrigerado.
Como variante de montaje, la superficie transparente puede estar hecha de ventanas parciales, cada una cubriendo un haz, y puede no ser plana, sino abovedada, bien con sección recta semicircular, bien con sección recta ojival; coincidiendo los apoyos intermedios de las ventanas parciales con los aislantes térmicos de separación del haz central respecto de los dos adyacentes.
En cuanto a la altura de ubicación del receptor, se deduce por la prescripción de que el ángulo de visión del punto central del receptor desde el punto central del espejo más alejado, se selecciona en un margen de valores entre 10° y 80°, con valor óptimo de 45°, medido sobre la horizontal del lugar; y quedando determinada la inclinación de la cara activa del receptor porque el segmento que marca dicha superficie en el plano de trabajo es perpendicular a la bisectriz del campo, siendo dicha bisectriz la del ángulo formado por las rectas que van, respectivamente, desde el punto central de la cara activa del receptor al punto central del espejo más cercano al receptor, y al punto central del espejo más lejano. EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS
Las figuras no están a escala, pues la anchura del receptor y de los espejos será notoriamente inferior a su longitud, y también muy inferior a la altura a la que está soportado el receptor.
La figura 1 muestra un esquema, en sección recta, de la central solar, que corresponde tanto a un montaje según el meridiano, como a un doble montaje según el paralelo, con un conjunto de espejos al Norte y otro al Sur de los colectores respectivos, en este caso.
La figura 2 muestra el esquema tridimensional de un conjunto receptor- espejos en el montaje según el paralelo, con disposición al Norte del paralelo en el hemisferio norte.
La figura 3 muestra un corte transversal del receptor solar, en la geometría de la invención, donde los cuatro tubos centrales forman el haz central, y por cada lado, los dos tubos extremos forman los haces adyacentes correspondientes.
La figura 4 muestra un corte transversal del receptor solar, similar al anterior, pero con los haces de tubos adyacentes inclinados respecto del haz principal, lo que permite mejor separación térmica entre ellos, y no perder capacidad de captar radiación, debido al aislante.
La figura 5 muestra el perfil de la intensidad recibida en la cara activa del receptor, con un máximo en el centro, que corresponde al punto central del corte transversal del receptor.
La figura 6 muestra el esquema de circulación del fluido calorífero en el montaje básico de dos receptores montados geométricamente en paralelo e hidráulicamente en serie, con las caras activas opuestas hacia afuera.
La figura 7 muestra el esquema de circulación del fluido calorífero en el montaje de un receptor, o dos de ellos paralelos y opuestos, pero funcionando independientemente en el régimen hidráulico.
Como complemento expositivo, se añaden las figuras 8 y 9, relativas al tipo de colector denominado de dilatación y presión compensadas, que es uno de los modelos genéricos de sistema que se podrían usar de base para la aplicación de la invención. Por tanto las figuras proceden del documento ES 2 321 576 B2, ya citado como antecedente, y tiene utilidad meramente ilustrativa. La figura 8 muestra el esquema longitudinal de un colector de dilatación y presión compensadas, en el cual la circulación del fluido calorífero va de izquierda a derecha. En la realidad, el montaje es muchísimo mas largo en sentido longitudinal, de izquierda a derecha, que de arriba abajo del dibujo.
La figura 9 muestra un corte transversal del receptor solar, en la variante de separar los haces de tubos en cajones adyacentes, si bien la separación física entre ellos, aislante incluido, es mucho menor que la anchura de cada haz, y no está a escala en el dibujo. Las ventanas de cada haz son ojivales o semicirculares en su sección recta.
MODOS DE REALIZACION DE LA INVENCION
Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:
1. Receptor de la radiación solar concentrada (6).
2. Superficie o cara activa del receptor (1).
3. Punto central del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1), en su sección recta transversal.
4. Radiación solar directa.
5. Espejo longitudinal que refleja la radiación solar original sobre el receptor (1), y que es más cercano al receptor.
6. Radiación solar reflejada por los espejos (7).
7. Espejo genérico en el que incide la radiación solar (4) que es reflejada como radiación concentrada (6) sobre el receptor (1). Existe una pluralidad de espejos paralelos, que reflejan la radiación sobre un mismo receptor (1). En una central puede haber más de un campo de espejos, cada uno de ellos enfocado a un receptor o sucesión lineal de receptores.
8. Báculos o pilares altos que mantienen en su altura y posición al receptor (1) de radiación y todos sus elementos internos.
9. Pilares bajos que mantienen en su altura y posición a los ejes de los espejos, genéricamente representados por (7). 10. Eje de ordenadas del plano de trabajo para un campo de espejos determinado, que es el eje vertical que pasa por el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), que recibe la radiación reflejada (6) por el conjunto de espejos (7).
11. Eje de abscisas del plano de trabajo, que es la recta horizontal que pasa por el punto central del espejo más cercano (5) al receptor (1), y es por ende perpendicular el eje de ordenadas (10).
12. Origen de coordenadas, que es la intersección entre los ejes (10) y (11).
13. Eje de simetría vertical en los montajes duales, distinto del eje (10) que es el que determina en cada caso el sistema de coordenadas de referencia.
14. Eje longitudinal de un espejo genérico (7), alrededor del cual gira para adquirir la inclinación transversal precisa en el plano de trabajo.
15. Entronque giratorio, merced a cojinete, del pilar (9) con el eje (14) de giro del espejo genérico (7).
16. Pieza de sujeción firme del receptor (1) al báculo (8), por la parte superior, permitiendo la dilatación en vertical del receptor, manteniendo su ángulo de inclinación. Puede adoptar diversas configuraciones.
17. Cables de arriostramiento transversal de los pilares o báculos (8).
18. Travesaño superior de rigidización de los receptores en los montajes dobles o duales.
19. Conjunto de tubos longitudinales, agrupados en haces en el interior del receptor (1) de la radiación solar (6), por dentro de los cuales circula el fluido calorífero que se lleva la mayor parte del calor depositado por la radiación en la superficie activa (2) del receptor (1).
20. Haz central de los tubos (19).
21. Haz de tubos adyacente, por un lado del haz central.
22. Haz de tubos adyacente, por el otro lado del haz central.
23. Aislamiento térmico interpuesto longitudinalmente entre el haz central (20) y los haces adyacentes (21), (22).
24. Cuerpo principal del cajón del receptor (1). Elemento de sujeción del cajón (24), que se une a la pieza (16) en los báculos o pilares de soporte del receptor (1).
Punto extremo superior de la superficie activa (2).
Punto extremo inferior de la superficie activa (2).
Ventana transparente del receptor (1).
Rayo extremo superior de los reflejados por los espejos (7) orientados hacia el receptor (1), que incide en el punto (26).
Rayo extremo inferior de los reflejados por los espejos (7) orientados hacia el receptor (1), que incide en el punto (27).
Juntas de sujeción de la superficie transparente (28), al cuerpo principal (24) del receptor (1).
Espejo más lejano al receptor (1).
Terreno y cimentación.
Punto central del espejo más cercano al receptor (5).
Punto central del espejo más lejano al receptor (32).
Anchura transversal de la cara activa (2) del receptor (1) donde incide la radiación concentrada (6).
Anchura transversal de la cara activa (2) del receptor (1), correspondiente al haz central (20).
Anchura transversal de la cara activa (2) del receptor, correspondiente al haz adyacente (21).
Anchura transversal de la cara activa (2) del receptor, correspondiente al haz adyacente (22).
Perfil, en sentido transversal, de la intensidad (W/m2) de la radiación incidente en la cara activa (2) del receptor (1).
Separación mediante aislante térmico entre la cara activa del haz adyacente (21) y el haz central (20). Se puede materializar con diversas configuraciones.
Separación mediante aislante térmico entre la cara activa del haz adyacente (22) y el haz central (20). Se puede materializar con diversas configuraciones. 3. Primer receptor en un montaje dual, que corresponde al que recibe menor intensidad de radiación.
44. Segundo receptor en un montaje dual.
45. Conectores hidráulicos desde la tubería de fluido relativamente frío proveniente de la aplicación térmica, que entran en los haces adyacentes del primer receptor (43).
46. Haces adyacentes del primer receptor (43).
47. Haz central del primer receptor (43).
48. Conectores hidráulicos desde los haces adyacentes del primer receptor (43) a los del segundo receptor (44).
49. Haces adyacentes del segundo receptor (44).
50. Conectores hidráulicos desde los haces adyacentes del segundo receptor (44) al haz principal (47) del primer receptor (43).
51. Conector hidráulico del haz central (47) del primer receptor (43) al del segundo (44).
52. Haz central del segundo receptor (44).
53. Conector hidráulico a la tubería de fluido calentado que va a la aplicación térmica, desde el haz central (52) del segundo receptor (44).
54. Receptor montado solo, o en disposición dual, pero con circuito independiente de fluido calorífero.
55. Conectores hidráulicos desde la tubería de fluido relativamente frío proveniente de la aplicación térmica, que entran en los haces adyacentes del receptor aislado (54).
56. Haces adyacentes del receptor aislado (54).
57. Conectores hidráulicos desde los haces adyacentes del receptor aislado (54) al haz principal de dicho receptor.
58. Haz central del receptor aislado (54).
59. Conector hidráulico a la tubería de fluido calentado que va a la aplicación térmica, desde el haz central (58) del receptor aislado (54).
60. Ventana transparente ojival del haz central (20). 61. Ventana transparente ojival del haz adyacente (21).
62. Ventana transparente ojival del haz adyacente (22).
63. Tubos, en codo, de conexión de los tubos interiores (19) del receptor (1 , 43, 44, 54) con los conductos exteriores para entrada de fluido calorífero. 64. Aislante térmico en la parte posterior del cajón (24).
65. Junta de presión de los cilindros colectores (73) y (74) de los tubos (19) del receptor (1 , 43, 44, 54), en su entronque de entrada y de salida.
66. Tubos, en codo, de conexión de los tubos interiores (19) del receptor (1 , 43, 44, 54) con los conductos exteriores para salida de fluido calorífero. 67. Conducto de entrada del fluido calorífero al receptor (1 , 43, 44, 54).
68. Conducto de salida del fluido calorífero desde el receptor (1 , 43, 44, 54).
69. Válvula de corte y regulación de paso del fluido por el conducto de entrada (67).
70. Válvula de corte y regulación de paso del fluido por el conducto de salida (68).
71. Conducto de extracción de gas para creación de vacío en el cajón (24).
72. Válvula de corte y cierre del conducto de creación de vacío (70).
73. Cilindro colector de los tubos (19) del receptor, en su entronque de entrada.
74. Cilindro colector de los tubos (19) del receptor, en su entronque de salida.
75. Separación física entre el haz central (20) y el adyacente (21) con la que se materializa la separación térmica (41) en el caso de la figura 9.
76. Separación física entre el haz central (20) y el adyacente (22) con la que se materializa la separación térmica (42) en el caso de la figura 9.
77. Haz adyacente homólogo del (21) en el caso de montaje con haces oblicuos.
78. Haz adyacente homólogo del (22) en el caso de montaje con haces oblicuos,
79. Separación física entre el haz central (20) y el adyacente (77) con la que se materializa la separación térmica (41) en el caso de la figura 4. 80. Separación física entre el haz central (20) y el adyacente (78) con la que se materializa la separación térmica (42) en el caso de la figura 4.
81. Punto más cercano del espejo más cercano (5) al receptor.
82. Punto más lejano del espejo más lejano (32) al receptor.
La invención requiere disponer de un conjunto de pilares altos o báculos
(8) que forman una hilera longitudinal como la mostrada en las figuras 1 y 2, soportándose el receptor (1) en dicha hilera de pilares, generalmente en versión dual, aunque en algunos montajes, sobre todo en dirección Este-Oeste, se puede optar por un solo receptor, como en la figura 2. En paralelo a esa hilera se dispone el conjunto de espejos longitudinales, (7), soportados sobre sus ejes sólidos de giro (14), a su vez soportados por hileras de pilares bajos (9), que entroncan con los anteriores en las piezas de entronque giratorio (15). Habida cuenta de que la disposición es uniforme en sentido longitudinal, y puede tener la longitud que se requiera, la descripción de la invención y sus prescripciones cuantitativas se realizan en el plano de trabajo correspondiente, que es siempre normal a los ejes longitudinales de montaje, que entre sí son paralelos.
El receptor (1) es un cajón alargado, tipo colector de dilatación y presión compensada, en cuya superficie activa (2), altamente absorbente a la radiación solar (4), incide la radiación reflejada (6) por cada espejo (7) del conjunto. Los tubos (19) por los que pasa el fluido calorífero se agrupan al menos en tres haces hidrodinámicamente independientes, uno central (20), que como valor de referencia ocupa la mitad central de la superficie activa del receptor (1), y otros dos adyacentes, por un lado (21) y por otro (22) del central (20), que ocupa cada uno el 25 % de la superficie activa (2), como valor de referencia. La figura 3 representa un corte transversal de esta disposición, recordando que los receptores se posicionan según se indica en las figuras 1 y 2.
Existe una variante que permite aprovechar ciertas ventajas en la captación de la radiación y en la separación efectiva de los haces. Para ello, y en consonancia con la sección trapezoidal del cajón (24), los haces de tubos longitudinales (19) se disponen con oblicuidad entre ellos, ocupando el central la pared central del fondo del cajón, mientras que los adyacentes se colocan en paralelo con cierto giro respecto del central, como se ilustra esquemáticamente en la figura 4. El conjunto de haces tiene cierta forma de cavidad, y todo el ángulo por el que llega la radiación queda cubierto por la superficie activa de los tubos. Para ello se hace un recubrimiento con los haces que produce incluso una pequeña zona de sombra del extremo de un haz sobre el contiguo, de extensión no mayor a la mitad del radio del tubo en sombra, pero suficiente para que no se pierda radiación en los intersticios que tiene que haber entre los haces para evitar la transferencia de calor del central a los adyacentes. Con tal recubrimiento en oblicuo se logra además que no exista contacto físico entre los extremos de ambos haces, pudiéndose interponer entre ellos, sin contacto físico con ambos haces a la vez, unas piezas de aislante térmico que además impiden el paso de corrientes de convección, en el caso de que exista gas de llenado en el cajón (24) del receptor (1).
El cajón (24) se construye con sección recta trapezoidal, siendo su ventana exterior transparente (28) de mayor anchura que la anchura de la pared posterior, teniendo el cajón (24) unas paredes laterales en apertura, en el extremo de los cuales se ubican las juntas (31) en las que se aferra la ventana transparente (28), manteniéndose los haces de tubos en sus posiciones por los codos tubulares (63) y (66) y sus cilindros colectores (73) y (74) que atraviesan el cajón (24) del receptor (1), que está suspendido de los báculos (8) o pórticos de sujeción a través de las piezas de unión (16), (25).
En el haz central (20) incidirá la radiación concentrada (6) de más alta intensidad (W/m2) y los dos adyacentes, (21 , 77) por un lado y (22, 78) por otro, recogen radiación de menor intensidad, pues en el borde externo de sus superficies la intensidad se hará prácticamente nula. La figura 5 representa el perfil, en sentido transversal sobre la cara activa (2), de la intensidad I (40), en W/m2, incidente en dicha cara, en la cual habrá una porción de ella (36) en la que la intensidad incidente (40) sea no nula, distinguiéndose la superficie (37) correspondiente al haz central (20), en la cual el valor de la intensidad es notoriamente mayor que en las superficies (38) y (39) correspondientes a los haces adyacentes (21 , 77) y (22, 78) que están separados físicamente del haz central (20), y aislados térmicamente de él a través de unos aislantes longitudinales (23) que establecen unas separaciones térmicas (41) y (42) entre el calor depositado por unidad de superficie en el haz central (20) y los adyacentes (21) y (22), materializándose esas separaciones térmicas (41) y (42) mediante las piezas (75) y (76) en el caso de usar cajones adyacentes para diferenciar los haces, y mediante las piezas (79) y (80) en el caso de montajes de haces en oblicuo. Cada cajón (24) de receptor (1) se hace con medidas acordes con la resistencia mecánica del material empleado, disponiéndose los cajones (24) de forma sucesiva, lo cual se aprovecha para absorber las dilataciones y contracciones de los tubos ( 9), merced a sus conexiones acodadas de entrada (67) y salida (68), según se ve en la figura 8, que se expone como complemento ilustrativo, pero sobre la cual no hay directamente ningún elemento reivindicable. El fluido proviene, por el conducto de captación (67), de la salida del cajón anterior o de la tubería de llegada desde la aplicación térmica; y a través de un cilindro colector (73) se distribuye por los tubos (19) del haz en cuestión. En la figura 9, que igualmente se expone como complemento ilustrativo, y sobre la tampoco hay directamente ningún elemento reivindicable se aprecia mejor esta disposición, distinguiéndose el haz central (20) con su ventana transparente específica (60), separado de los adyacentes (21) y (22) con sus respectivas ventanas (61) y (62) que se proponen ojivales o semicirculares para resistir mejor mecánicamente la existencia de vacío interior. Los haces (20), (21), (22) van separados por las separaciones térmicas (75) y (76) en los que se encastran las ventanas (60), (61), (62). Contra dichas separaciones apoyan las juntas de presión (65) de los cilindros colectores con cabezas hemisféricas, que rotan ligeramente para absorber los cambios de longitud en los tubos (19) y que además soportan a éstos en su posición. En la parte posterior del cajón (24) se ha de disponer un aislante térmico (64), que embebe a los tubos de conexión exteriores, que comunican un cajón con el siguiente, o con el circuito exterior general de conexión con la aplicación térmica. En la patente ES 2 321 576 B2, de la que procede esta figura 9, no hay ningún planteamiento en la memoria, ni ninguna mención en las reivindicaciones, acerca de la división en haces de los tubos absorbedores de radiación por motivo de la jerarquización establecida entre ellos en función del nivel de intensidad de radiación recibida, ni sobre el camino hidráulico que recorre el fluido calorífero a lo largo de los diversos haces. La división de los tubos en varios haces se debe, en dicha patente, a reducir las tensiones mecánicas de las ventanas de vidrio de cada haz, reduciendo su anchura.
A cada espejo se le hace seguir la misma pauta de especificaciones de giro para proporcionar el enfoque al sol asociado de la invención, y que se realiza usando como herramienta la normal al espejo (7) en su punto central, en la proyección del espejo sobre el plano de trabajo. El espejo (7) se gira hasta que esta normal coincide con la bisectriz del ángulo formado por el rayo central del haz solar incidente en el punto central del espejo (7), y la recta que une dicho punto central del espejo con el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), expresado todo ello en la proyección en el plano óptico o de trabajo.
La inclinación de la superficie activa (2) del receptor (1) se define porque esta superficie queda normal a la bisectriz del campo desde el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), siendo dicha bisectriz la del ángulo que se forma con las rectas que van desde el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), al punto central (34) del espejo más cercano (5) al receptor (1), y al punto central (35) del espejo más lejano (32). En cuanto a la altura del punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), por orientaciones geométricas elementales es aconsejable acotar el ángulo de visión del punto central del receptor desde el punto central (35) del espejo más lejano, sobre la horizontal del lugar, en un valor seleccionado entre 10° y 80°, con valor óptimo de 45°.
En los montajes duales, según se esquematiza en la figura 6, con dos receptores simétricos (43) y (44), de caras opuestas, se hace circular el fluido por los haces adyacentes (46) de la primera cara, que es la que esté recibiendo menor intensidad de radiación, a partir de haber recibido el fluido de las tuberías de conducción que lo aportan (45), relativamente frío, desde la aplicación térmica; y, tras ese primer paso, se dirigen, mediante una conexión exterior (48) a los haces adyacentes (49) del segundo receptor (44), por lo que terminan la fase de precalentamiento, en la que se aprovechan los valores de las zonas periféricas (38, 39) de la radiación enviada por el campo de espejos (7) y que incide en la cara activa (2) del receptor; entrando entonces el fluido desde los haces adyacentes (49) del segundo receptor (44), a través de una conexión exterior (50), en el haz central (47) del primer receptor (43), donde los niveles de la radiación concentrada son más altos en intensidad (37), medida ésta en vatios por unidad de superficie, lo cual hace que el fluido adquiera temperaturas más altas, y este mayor calentamiento se completa en el paso del fluido por el haz central (52) del segundo receptor (44), al que llega desde el haz central (47) del primer receptor (43), por otra conexión exterior (51), y desde el que sale por la conducción exterior (53) para ir a la aplicación térmica, tal como se recoge en la figura 6. Tras ese cuádruple recorrido, el fluido lleva la alta temperatura que es necesaria para obtener buenas prestaciones termodinámicas.
Para los montajes como el mostrado en la figura 2, con un sólo receptor (1), o con dos receptores (54) geométricamente paralelos pero hidráulicamente aislados entre sí, tal como se muestra en la figura 7, el fluido entra en los haces adyacentes (56) por la captación (55) de fluido desde la tubería de aportación que procede de la aplicación térmica, circula en un sentido por los haces adyacentes (56) y, al llegar al final de ese primer paso, es inyectado, por medio de una conexión exterior (57), en el haz central (58), donde se calienta hasta alta temperatura y se envía a la tubería de captación (59) que lo lleva a la aplicación térmica.
Obviamente el diseño de una planta de este tipo jugará con la longitud de los receptores para totalizar la captación de energía térmica que se desee, pero esta magnitud no es todo. Es muy importante la temperatura que se alcance, que es lo que confiere al fluido calorífero calentado una alta exergía; y, para ello, la invención contiene esa división de la superficie activa en, al menos, los tres haces antedichos. Si el fluido pasara por todos los tubos mezclándose de tanto en tanto o casi continuamente, el fluido de los tubos centrales perdería su temperatura al mezclarse con el periférico, de baja temperatura, y el resultado de esa mezcla, como de cualquier otra, sería un incremento de entropía y una pérdida de exergía. De ahí que el proceso de calentamiento se haga de una manera gradual y jerárquica en esta invención, consiguiendo no sólo que el fluido calorífero lleve una cantidad apreciable de energía térmica, sino que ésta esté a alta temperatura, lo cual es muy útil para obtener buenos resultados termodinámicos.
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1 - Receptor (1, 43, 44, 54) para central solar con espejos longitudinales, basado en un colector o cajón (24) de dilatación y presión compensadas, que recibe la radiación de un conjunto de espejos ligeramente cóncavos (7) paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura, que son giratorios alrededor de su eje de simetría longitudinal (14), que a su vez es el eje que sirve de apoyo en unos cojinetes, que asientan sobre los pilares (9) que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro (14), se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, orientándose cada espejo (7) para reflejar la radiación (6) hacia al menos un receptor solar (1 , 43, 44, 54) de carácter longitudinal, ubicado su eje de simetría longitudinal a una altura H sobre la altura del eje del espejo más cercano (5) al receptor (1 , 43, 44, 54) merced a unos báculos o pilares (8) que lo soportan, con una cara activa (2), que es por donde recibe la radiación (6) reflejada por las espejos (7); siendo dicho receptor de geometría longitudinal, y su longitud mayor paralela a los ejes longitudinales (14) de los espejos (7), y teniendo cierto ángulo de inclinación transversal respecto de la horizontal, habiendo un último espejo (32) que es el más alejado del receptor (1 , 43, 44, 54), pudiéndose montar dos campos de espejos (7) simétricamente respecto de dos receptores (1 , 43, 44, 54) paralelos con las caras activas (2) opuestas, mirando cada cara a un campo, particularmente en los montajes en los cuales los ejes longitudinales siguen el meridiano local, y montándose tanto al norte como al sur del receptor (1 , 43, 44, 54) en los casos en los que los ejes longitudinales (14) de los espejos (7) son paralelos al paralelo astronómico local, en cuyos montajes también se pueden ubicar dos receptores (1 , 43, 44, 54) paralelos con las caras activas (2) opuestas, mirando cada cara a un campo, y en el cual las posiciones y ángulos se expresan en un sistema de coordenadas en el plano de trabajo empleado, que es siempre normal a los ejes longitudinales de montaje, que entre sí son paralelos; y siendo el eje de ordenadas del sistema de coordenadas en el plano de trabajo la recta vertical (10) que pasa por el punto central o medio (3) del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1 , 43, 44, 54) en el plano de trabajo, y siendo el eje de abscisas (11) la recta horizontal que pasa por el punto central (34) del segmento que, en el plano de trabajo, representa al espejo (5) más cercano al receptor (1 , 43, 44, 54), con una anchura transversal de la superficie o cara activa (2) del receptor seleccionada en un valor del orden del 1 % de la distancia en línea recta existente entre el punto central (35) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1 , 43, 44, 54); seleccionando el ángulo de visión del punto central (3) del receptor (1 , 43, 44, 54) desde el punto central (35) del espejo más alejado (32) en un margen de valores entre 10° y 80°, con valor óptimo de 45°, medido sobre la horizontal del lugar; y quedando determinada la inclinación de la cara activa (2) del receptor (1 , 43, 44, 54) porque el segmento que marca dicha superficie en el plano de trabajo es perpendicular a la bisectriz del campo, siendo dicha bisectriz la del ángulo formado con las rectas que van, respectivamente, desde el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1 , 43, 44, 54) al punto central (34) del espejo más cercano (5) al receptor, y al punto central (35) del espejo más lejano (32); disponiéndose de un conjunto de bombas y válvulas controlables, exteriores al receptor en sí, pero imprescindibles para el funcionamiento de la invención, por forzar al fluido calorífero a los movimientos que se prescriben a lo largo de los circuitos hidráulicos del receptor; ocurriendo que la radiación solar reflejada (6) por los distintos espejos (7) incide finalmente sobre un receptor (1 , 43, 44, 54) en cuyo interior se disponen unos tubos longitudinales (19) por los que circula un fluido calorífico que alimenta una aplicación térmica; siendo la cara activa (2) del receptor (1 , 43, 44, 54) la propia superficie exterior de los tubos (19) donde incide la radiación (6), o estando la cara activa (2), donde incide la radiación (6), conectada térmicamente con la superficie de los tubos (19), que se agrupan al menos en tres haces independientes, en sentido transversal, habiendo un haz central (20) de tubos longitudinales, y al menos dos haces adyacentes (21) y (22), uno por cada lado del haz central (20), pudiendo ir éstos en el mismo cajón (24) o en cajones adyacentes, pero en todo caso sin mezclarse sus corrientes de fluido calorífero durante su paso por el receptor (1 , 43, 44, 54), teniendo los haces central (20) y adyacentes (21) y (22) un aislante térmico (23) longitudinal entre sí, que los separa; y siendo el reparto de porcentaje de la superficie activa total (2) del receptor (1 , 43, 44, 54), entre el haz central de tubos (20) y los haces adyacentes (21) y (22), un valor seleccionado entre que el haz central (20) ocupe el 99% de la superficie activa, y el resto los adyacentes (21) y (22); y que el haz central ocupe el 20%, ocupando los adyacentes (21) y (22) el resto; dando como valor de referencia para el reparto, el 50% de la superficie activa ocupada por el haz central (20), y los haces adyacentes (21) y (22) ocupando cada uno, a un lado y otro, el 25% de la superficie activa total (2) del receptor (1 , 43, 44, 54), caracterizado por que los haces de tubos longitudinales (19) del receptor (1 , 43, 44, 54) se disponen con oblicuidad entre ellos, quedando todo el ángulo por el que llega la radiación cubierto por la superficie activa de los tubos, merced al recubrimiento que proporcionan los haces, habiendo incluso una pequeña zona de sombra del extremo de una haz sobre el contiguo, de extensión no mayor a la mitad del radio del tubo en sombra, sin que exista contacto físico entre los extremos de ambos haces, y pudiéndose interponer entre ellos, sin contacto físico con ambos a la vez, unas piezas de aislante térmico que además impiden el paso de corrientes de convección, en el caso de que exista gas de llenado en el cajón (24) del receptor.
2 - Receptor para central solar con espejos longitudinales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en los montajes con dos receptores simétricos (43) y (44), de caras opuestas, el fluido es recibido de las tuberías de conducción que lo aportan (45), relativamente frío, desde la aplicación térmica y se hace circular por los haces adyacentes (46) de la primera cara, que es la que está recibiendo menor intensidad de radiación; y tras ese primer paso, pasan, mediante una conexión exterior (48), a los haces adyacentes (49) del otro receptor (44), por los que circulan, terminando así la fase de precaientamiento, en la que se aprovechan los valores de las zonas periféricas (38), (39) de la radiación enviada por el campo de espejos (7) y que incide en la cara activa (2) del receptor; entrando entonces el fluido desde los haces adyacentes (49) del segundo receptor (44), a través de una conexión exterior (50), en el haz central (47) del primer receptor (43), donde los niveles de la radiación concentrada son más altos (37) en intensidad, medida ésta en vatios por unidad de superficie, lo cual hace que el fluido adquiera temperaturas más altas a su paso por dicho haz, y este mayor calentamiento se completa en el paso del fluido por el haz central (52) del segundo receptor (44), al que llega desde el haz central (47) del primer receptor (43), por otra conexión exterior (51), y desde el que sale por la conducción exterior (53) para ir a la aplicación térmica.
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