RECEPTOR DE RADIACIÓN SOLAR.

Receptor de radiación solar.

Receptor (2) de radiación solar (1) que tiene colectores (9) de entrada y de salida y una serie de conductos (8) que van del colector (9) de entrada al colector (9) de salida.

Por el interior de los conductos (8) circula un fluido de trabajo que se calienta al recibir la radiación solar (1).

El receptor (2) está realizado en una única pieza y comprende un estrato superior (5), al menos un estrato intermedio (6), y un estrato inferior (7). Sobre el estrato superior (5) incide la radiación solar (1). El, al menos, estrato intermedio (6) está situado bajo el estrato superior (5), y en él se encuentran los conductos (8) por los que circula el fluido de trabajo. El estrato inferior (7) se encuentra bajo el estrato intermedio (6), y en dicho estrato inferior (7) se acoplan los colectores (9) de entrada y de salida del fluido de trabajo.

El fluido de trabajo que se calienta en el receptor (2) evoluciona después en un motor térmico (3), que produce electricidad a través de un alternador (4).

Receptor de radiación solar.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención divulga un receptor de la radiación solar, de aplicación en la conversión de energía solar en energía térmica y eléctrica. Su uso resulta de interés relevante en la industria de producción de energía.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente existen tres grandes tecnologías de aprovechamiento de la energía solar para su conversión en energía térmica y eléctrica: receptores cilíndrico-parabólicos, sistemas de torre con campo de heliostatos, y discos parabólicos. La presente invención se centra en esta última tecnología, en la que la radiación solar incide en un paraboloide (un “disco parabólico”, que normalmente es un paraboloide de sección circular) , en cuyo foco se sitúa una máquina térmica. Esa máquina térmica es, habitualmente, un motor Stirling perfeccionado (descrito inicialmente por Robert Stirling en su patente de 1816, véase el documento GB 4081 A.D. 1816) que trabaja entre un foco caliente (un receptor de la radiación solar) y un foco frío. La energía mecánica que produce el motor Stirling o equivalente acciona un alternador que genera energía eléctrica.

Como ya se ha indicado, en los sistemas con discos parabólicos la radiación solar se recibe en el receptor. Dicho receptor calienta un gas de trabajo que acciona el motor térmico. Para una energía térmica determinada, aumentar el rendimiento del receptor supone incrementar la temperatura del gas de trabajo y, consecuentemente, acrecentar el rendimiento del motor. Ello hace que el rendimiento total de la máquina sea mayor.

Los motores Stirling que se han utilizado en estas aplicaciones solares han empleado receptores formados por un haz tubular, que se ubica enfrentado al eje del paraboloide. Sin embargo, en esta configuración la superficie mojada por la energía térmica procedente del concentrador (el disco parabólico) es solamente un porcentaje de la proyección del concentrador. Además, los haces tubulares que se utilizan en el estado de la técnica son dispositivos que se componen de múltiples piezas, que están soldadas entre sí y al colector. Este tipo de construcción con soldadura genera con cierta frecuencia problemas de tensión mecánica cuando el dispositivo se somete a ciclos térmicos, lo que se traduce en numerosas ocasiones en fatiga del material y su posterior rotura. Por otro lado, es habitual que estos dispositivos que siguen el ciclo Stirling utilicen hidrógeno como fluido de trabajo para mejorar su rendimiento. Dado que el H2 arde en contacto con el aire, las configuraciones que se dan en el estado de la técnica actual implican un riesgo de incendio y explosión.

Para resolver los problemas anteriormente señalados, la presente invención propone un receptor solar (que en algunas configuraciones es plano y en otras no) , que aprovecha la totalidad de la superficie proyectada del concentrador, con lo que el área mojada es máxima. Además, su construcción es más robusta y segura que la del haz tubular que se viene empleando hasta ahora como solución habitual, pues se evitan los problemas asociados a las uniones por soldadura de los distintos componentes que en la actualidad se presentan.

En el estado de la técnica actual se conocen diversas configuraciones de receptores solares asociados a motores de Stirling. Así, el documento GB 2296047 A1 describe un motor Stirling con un cigüeñal sobre el que se monta una estructura que lleva asociada una serie de diafragmas flexibles que definen cámaras de trabajo, frías y calientes, en las que evoluciona el fluido de trabajo. El documento CN 201433829 Y divulga un absorbedor de calor en cavidad para el motor Stirling de un dispositivo solar, con canales en forma de U. Sin embargo, no se conoce dispositivo alguno con las características específicas que posee la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención que se describe divulga un receptor de radiación solar, que tiene unos colectores de entrada y salida, y una serie de conductos que van del colector de entrada al de salida por los que circula un fluido de trabajo que se calienta al recibir la radiación solar. El receptor comprende: a) un estrato superior sobre la que incide la radiación solar; b) al menos un estrato intermedio, situado bajo el estrato superior, en el que se encuentran los conductos por los que circula el fluido de trabajo; y c) un estrato inferior, situado bajo el, al menos, estrato intermedio, en el que se acoplan los colectores de entrada y de salida del fluido de trabajo. La construcción del dispositivo se realiza de manera que el estrato superior, el al menos un estrato intermedio y el estrato inferior, forman una sola pieza.

Los conductos por los que circula el fluido de trabajo tienen bien una sección triangular, o rectangular con los extremos redondeados, o elíptica, o poligonal regular, o circular, o bien combinaciones de dos de las anteriores geometrías citadas.

Cuando en el receptor existe más de un estrato intermedio, cada uno dichos estratos intermedios dispone en su interior de conductos por los que circula el fluido de trabajo.

Los conductos que se encuentran en el (los) estrato (s) intermedio (s) se disponen trazados como un laberinto, recorriendo toda la superficie mojada de el (los) estrato (s) intermedio (s) del receptor.

La dicha pieza de la que está hecha el receptor es una aleación que soporta altas temperaturas, superiores a 600 ºC, del tipo acero, acero inoxidable o aleaciones tipo Inconel® o Hastelloy®.

El receptor puede configurase en distintas configuraciones geométricas. Algunas de estas configuraciones son: una geometría circular o de sector circular, de semicono hueco, de semiesfera hueca, o como la mitad de un poliedro hueco.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La invención se comprende fácilmente a la vista del contenido de la descripción considerada conjuntamente con las figuras, en las que se emplean referencias numéricas para reflejar los distintos elementos que integran la invención.

- La figura 1 es una vista esquemática de un motor térmico de combustión externa de aplicación en dispositivos heliotérmicos con discos parabólicos.

- La figura 2 es una vista en perspectiva de un receptor, en su configuración plana, con una sección parcial en la que se aprecian los conductos por donde circula el fluido de trabajo.

- La figura 3 es un detalle de la sección del receptor, en la que se representan las distintas configuraciones de los conductos.

- La figura 4 muestra otras configuraciones alternativas a un receptor plano, como un receptor en forma de semicono (figura 4A) , en forma de semiesfera (figura 4B) o en forma de la mitad de un poliedro regular (figura 4C) como puede ser un dodecaedro.

A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la invención: 1 = radiación solar (directa o reflejada) ; 2 = receptor; 3 = motor térmico acoplado al disco parabólico; 4 = alternador; 5 = estrato superior; 6 = estrato intermedio; 7 = estrato inferior; 8 = conductos; 9 = colectores de entrada y de salida del fluido de trabajo; a = semieje menor de la elipse; b = semieje mayor de la elipse; c = radio; d = espesor del estrato superior; e = espesor del estrato intermedio; f = espesor del estrato inferior; m = lado del polígono; r = radio del círculo; t = base del conducto; l = lados del conducto; v = vértice del conducto.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Como ya se ha indicado, y tal y como puede apreciarse en la figura 1, la invención consiste en receptor solar de aplicación en discos parabólicos heliotérmicos que emplean motores de combustión externa. Un motor Stirling o equivalente (3) se ubica en el foco de un disco parabólico (no representado) ; el motor térmico (3) cuenta con un receptor (2) de la radiación solar (1) , con una serie de canalizaciones por los que evoluciona un fluido de trabajo (habitualmente H2) y un conjunto de enfriadores-regeneradores. Todos estos elementos están montados sobre una base del motor tal y como se conoce en el estado de la técnica, por lo que no han sido representados en la figura 1. Habitualmente cada conjunto cilindro del motor térmico (3) tiene asociado un enfriador, un regenerador y un receptor (2) ; en este caso, el receptor (2) tiene una configuración “plana” en forma de disco o círculo, si bien también son posibles otras configuraciones como se describe a lo largo de la memoria.

El fluido de trabajo que evoluciona en el motor térmico (3) llega al receptor solar (2) cuando se ha completado un ciclo del motor térmico (3) ; así, y debido a los...

– Receptor (2) de radiación solar (1) , que tiene unos colectores (9) de entrada y salida, una serie de conductos (8) que van del colector de entrada al de salida por los que circula un fluido de trabajo que se calienta al recibir la radiación solar (1) , caracterizado por que el receptor (2) comprende:

- un estrato superior (5) sobre la que incide la radiación solar (1) ;

- al menos un estrato intermedio (6) , situado bajo el estrato superior (5) , en el que se encuentran los conductos (8) por los que circula el fluido de trabajo;

- un estrato inferior (7) , situado bajo el, al menos, estrato intermedio (6) , en el que se acoplan los colectores

(9) de entrada y de salida del fluido de trabajo;

de manera que el estrato superior (5) , el al menos un estrato intermedio (6) y el estrato inferior (7) , forman una sola pieza.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según la reivindicación 1 caracterizado por que los conductos (8) por los que circula el fluido de trabajo tienen bien una sección triangular, o rectangular con los extremos redondeados, o elíptica, o poligonal regular, o circular, o bien combinaciones de dos de las anteriores geometrías citadas.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que cuando existe más de un estrato intermedio (6) , cada uno dichos estratos intermedios (6) dispone en su interior de conductos (8) por los que circula el fluido de trabajo.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que los conductos (8) que se encuentran en el (los) estrato (s) intermedio (s) (6) se disponen trazados como un laberinto, recorriendo toda la superficie mojada de el (los) estrato (s) intermedio (s) (6) del receptor (2) .

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la dicha pieza de la que está hecha el receptor (2) es una aleación que soporta altas temperaturas, superiores a 600 ºC, del tipo acero, acero inoxidable o aleaciones tipo Inconel® o Hastelloy®.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el receptor (2) se configura en una geometría circular o de sector circular.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que el receptor (2) se configura en una geometría de semicono hueco.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que el receptor (2) se configura en una geometría de semiesfera hueca.

– Receptor (2) de radiación solar (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que el receptor (2) se configura en una geometría de la mitad de un poliedro hueco.