Campo mixto de heliostatos.

Campo mixto de heliostatos que combina en el mismo campo heliostatos de distinto tamaño y/o diferentes tipos de facetas, teniendo todos ellos al menos una faceta y canteados o no, pudiendo tener facetas esféricas, cilíndricas, planas o casi planas

(esféricas con radio de curvatura elevado) de manera que el campo solar estará optimizado para minimizar sombras y bloqueos entre heliostatos, gracias a un correcto posicionado de ellos en el campo.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200654.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: SERRANO GALLAR,LUCIA, NÚÑEZ BOOTELLO,JUAN PABLO, CERON GARCIA,Francisco Jose.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION > PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN... > Utilización del calor solar, p. ej. colectores de... > F24J2/07 (Colectores que trabajan a alta temperatura, p. ej. para centrales solares)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION > PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN... > Utilización del calor solar, p. ej. colectores de... > F24J2/10 (teniendo reflectores como elementos de concentración)
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Campo mixto de heliostatos.

Fragmento de la descripción:

CAMPO MIXTO DE HELlOSTATOS

Sector técnico de la invención

La presente invención se engloba dentro del sector técnico de producción de energía eléctrica a partir de una planta solar termoeléctrica de receptor central de torre. Dentro de esta tecnología, la invención hace referencia al campo de heliostatos que rodea al receptor y que dirigen hacia él la radiación solar.

Antecedentes de la invención Un heliostato consiste en una superficie reflectante a modo de espejo, cuya principal misión es la de reflejar la radiación solar y dirigirla hacia el lugar deseado. Dichos heliostatos son orienta bies y para ello habitualmente disponen de dos accionamientos para realizar un seguimiento individual del sol en dos ejes. Estos

accionamientos permiten al heliostato realizar un movimiento azimutal y otro de elevación. En las plantas solares termoeléctricas de receptor central, el heliostato forma parte del

campo solar. El campo solar consiste en un conjunto de heliostatos, cuya misión es la de reflejar la radiación solar y dirigirla hacia un receptor situado en lo alto de una torre. Así pues, la normal del heliostato está siempre a medio camino entre el sol y el receptor de la torre. Por el interior del receptor circula un fluido que es calentado por la radiación solar y o bien es turbinado directamente para la producción de electricidad, o bien es utilizado posteriormente en un intercambiador de calor para la producción de vapor que será

finalmente turbinado. El heliostato, por lo tanto, es un elemento que consta de una superficie reflectiva, una estructura soporte, un mecanismo de accionamiento en azimut y elevación, un pedestal, con su correspondiente cimentación y un sistema de control local. Los heliostatos se han desarrollado a lo largo de la historia pasando por diferentes tipos y configuraciones. Podemos encontrar en el estado del arte, heliostatos de superficie reflectante continua, heliostatos de superficie reflectante tipo reflector fresnel, heliostatos de membrana tensionada o heliostatos facetados, como algunos de los ejemplos más relevantes. Los heliostatos de superficie reflectante continua pueden ser espejos, completamente planos, tanto en estructura como en superficie reflectante, como es el caso de los heliostatos de la patente US2009/0007901 y sobre los que volveremos a hablar más adelante.

Los heliostatos de membrana tensionada están fundamentalmente formados por una estructura, en forma circular y una membrana tensionada con una cierta curvatura, que contiene la superficie reflectante encargada de la concentración solar. Dicha curvatura confiere al heliostato la propiedad de concentrar. En lo que se refiere a 105 heliostatos facetados, el heliostato, está en este caso constituido por un conjunto de elementos reflectantes más pequeños, acompañados de una cierta estructura, que denominaremos facetas y cuyo conjunto, con una orientación determinada de dicha faceta (canteado de la faceta) constituye, el heliostato final. En lo que se refiere a heliostatos facetados, podemos encontrar en el estado del arte, diferentes configuraciones para la colocación de dichas facetas. La patente US4276872A divulga mediante sus figuras un heliostato facetado, donde las facetas que componen dichos heliostatos, cuentan tanto con una estructura o soporte como con una superficie reflectante plana. Con el fin de aportar la propiedad de concentrador a 105 heliostatos facetados y obtener así la máxima potencia térmica de radiación solar posible en el receptor, la superficie reflectiva de las facetas puede conformarse con una cierta curvatura. En la patente ES2351755 se describe un sistema de fabricación de facetas para heliostatos, constituidas por una superficie reflectante y un bastidor, donde la superficie reflectante se encuentra previamente curvada. La patente ES2326586 describe una faceta para heliostato, configurada a partir de una estructura plana, en la que el cuerpo reflectante se encuentra a su vez curvado. En función de la geometría de la superficie reflectante, existen dos tipos de heliostatos: 105 heliostatos no formadores de imagen y 105 heliostatos formadores de imagen. 1) Los heliostatos no formadores de imagen como el propuesto en "Non-imaging focusing heliostat" -Y. T. Chen , K. K. Chong, T. P. Bligh , L. C. Chen, Jasmy Yunus, K.

S. Kannan, B. H. Lim, C. S. Lim, M. A Alias, Noriah Bidin, Ornar Aliman, Sahar Salehan, SHK. ABO. Rezan S.AH., C. M. Tam and K. K. Tan., permiten reducir el efecto de astigmatismo, efecto de aberración óptica que se puede traducir en perdida de potencia en el receptor para una apertura de cavidad fijada a priori y que se produce cuando 105 ángulos de incidencia (ángulo que forma la normal del heliostato con el rayo incidente, que va de Oa 90°) son diferentes de cero. Este tipo de heliostatos tiene el inconveniente de que penalizan en coste el heliostato debido a que el seguimiento es del tipo rotaciónelevación: quedando 105 dos ejes principales del heliostato uno siempre perpendicular y el otro siempre paralelo al plano que forman el rayo incidente, la normal al heliostato y el rayo reflejado. Estos dos movimientos de rotación-elevación provocan que el centro de gravedad del heliostato no quede en línea con el pedestal, lo cual supone estructuras más complejas de lo habitual. Por otra parte, se requieren mecanismos adicionales para las distintas facetas puesto que cada una de ellas rota de manera independientemente a las demás, con el fin de conseguir una orientación de sus ejes tal, que le permita dirigir los rayos al centro del receptor. En otros modos de ejecución, los heliostatos son del tipo reflectores afresnelados con seguimiento tipo azimut y elevación. Esta geometría tiene el inconveniente de rangos de movimientos limitados (patente ES1074545U) y efectos cosenos de segundo orden que contrarrestan el ahorro en coste asociado a eliminar curvatura de la estructura. 2) Por otro lado; dentro de los heliostatos formadores de imagen, podemos encontrar los heliostatos planos y los heliostatos tipo paraboloide de revolución o esféricos. Los heliostatos planos, para una aceptancia de diseño definida 13 (ángulo que tiene en cuenta los diferentes errores asociados a la fabricación y montaje del heliostato así como el ángulo subtendido por el sol) , no tienen capacidad de concentración y proyectan su propia apertura (superficie del espejo) en el receptor, amplificada linealmente en distancia por el ángulo de aceptancia. Si se usaran grandes dimensiones, las pérdidas por desbordamiento en la apertura del receptor (pérdidas debido a la cantidad de radiación que es reflejada por el concentrador y que no alcanza el receptor) para heliostatos alejados harían no viable la inversión realizada en el propio heliostato. Estos heliostatos planos y pequeños, no concentran pero permiten la construcción de plantas modulares con una reducción significativa del coste estructural y de cimentación y del ahorro en el coste de curvatura de los espejos, sin embargo, hace que se eleven los costes de operación y mantenimiento por tener que contar con mayor número de mecanismos, control y asociados para aportar la misma potencia térmica que si estuviéramos en el caso de campos con heliostatos de mayores dimensiones. Este tipo de campo con heliostatos planos y de pequeñas dimensiones viene descrito en la patente US2009/007901 ya anteriormente mencionada. En el caso de heliostatos con superficie reflectante de paraboloide de revolución la óptica de concentración es diferente: definida la aceptancia de diseño y para ángulos de incidencia de la radiación solar prácticamente nulos, este tipo de colectores maximizan la concentración cuando la distancia focal es del orden de 0.6 veces la apertura siendo la concentración alcanzada C=0, 25 (1/sen2~) =0, 25 Cmax; es decir, 0.25 veces...

 


Reivindicaciones:

1. Campo mixto de heliostatos para plantas de concentración solar de receptor central que minimiza las pérdidas por astigmatismo, el efecto coseno y maximiza la visibilidad de cada heliostato caracterizado porque en el mismo campo se instalan heliostatos, formados todos ellos por al menos una faceta y siendo de diferentes tamaños y/o diferentes tipos de facetas, ya sean facetas esféricas, cilíndricas, planas o casi planas, estando sometidos a un control activo.

2. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 donde existen heliostatos con diferentes canteados (diferente orientación de las facetas) .

3. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de gran tamaño, siendo su superficie ~120 m2.

4. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas esféricas canteadas.

5. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas cilíndricas canteadas a paraboloide o esfera en la dirección correspondiente a la dimensión mayor.

6. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 3 donde los heliostatos de gran tamaño tienen facetas planas o casi planas (esféricas de elevado radio de curvatura) .

7. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de tamaño mediano, siendo su superficie 20 m2 :S Superficie < 120 m2.

8. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas esféricas canteadas.

9. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas cilíndricas canteadas en la dirección correspondiente a la dimensión mayor.

10. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 7 donde los heliostatos de tamaño mediano tienen facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura) .

11. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 1 que comprende heliostatos de pequeño tamaño con al menos una única faceta de superficie < 20m2.

12. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es cilíndrica.

13. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es plana

o casi plana (esférica con elevado radio de curvatura) .

14. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 11 donde la faceta es estérica.

15. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3 y 7 caracterizado porque se establece el campo con grupos de heliostatos con radio de curvatura teórica similar, llevando todos un mismo radio de curvatura real igual al radio de curvatura teórico del heliostato del grupo más alejado al receptor o bien cercano a la media de todos los radios de curvatura teóricos correspondientes a dicho grupo.

16. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 7 y 11 caracterizado porque en aquellas zonas del campo en las que la visibilidad del receptor sea baja (o > 35°) , se emplean heliostatos medianos o pequeños.

17. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7, Y 11 caracterizado porque se distribuye en cuatro zonas siendo: -Zona 1: Constituida por heliostatos de gran tamaño con estructura canteada a esfera o paraboloide y facetas planas o casi planas (esféricas con elevados radios de curvatura) y que se sitúan en aquella zona del campo en la que el ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del heliostato es media o alta (se entiende por media 25°<0<35° y por alta 15° < o < 25°) -Zona 2: Constituida por heliostatos de gran tamaño, canteados a paraboloide o esfera con facetas planas que se sitúan en aquella zona del campo, en la que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del receptor es muy alta, concretamente 0<15° y la distancia del heliostato a la base de la torre es mayor que diez veces la altura óptica de ésta;

-Zona 3: Constituida por heliostatos de mediano tamaño canteados a paraboloide

o esfera con facetas cilíndricas, que se sitúan en aquella zona del campo en la que ángulo de incidencia medio anual es mayor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo, y la visibilidad del receptor es baja (0) 35°) ;

-Zona 4: Constituida por heliostatos pequeños que se sitúan en aquella zona del campo en la que el ángulo de incidencia medio anual es menor del 45% del ángulo de incidencia anual máximo del campo y la visibilidad del receptor es media o baja.

18. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 17 caracterizado porque el campo tiene una latitud de 37, 34 ° Y campo norte, ángulo de incidencia menor de 45° o efecto coseno medio anual menor a 0, 78.

19. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 17 caracterizado porque los heliostatos de las zonas 1, 2 son de 120m2 con 28 facetas distribuidas en 4 columnas y 7 filas y los heliostatos de la zona 4 de 4 m2, .

20. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 19 caracterizado porque los heliostatos de la zona 3 son de 20 m2.

21. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 19 caracterizado porque en la zona 3 se incluyen heliostatos de pequeño tamaño para realizar un control activo que oriente la mancha solar de tamaño reducido donde interese.

22. Campo mixto de heliostatos según reivindicación 21 caracterizado porque en la zona 3 se utilizan heliostatos de una faceta de 4 m2.

23. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3 y 11 caracterizado porque el campo tiene una transmisividad atmosférica superior a 0, 95 y los heliostatos se distribuyen en dos zonas: -Zona 5: alta visibilidad del receptor (15° < o < 25°) , heliostatos de gran tamaño con facetas cilíndricas o planas; -Zona 6: baja visibilidad (o> 35°) , reservada a heliostatos de pequeño tamaño sin astigmatismo con mancha minimizada.

24. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7 Y 11 caracterizado porque el campo tiene una transmisividad atmosférica superior a 0, 95 y los heliostatos se distribuyen en tres zonas:

Zona 7: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) y alta o muy alta visibilidad del receptor (o menores de 25°) , heliostatos de gran tamaño y facetas cilíndricas o planas Zona 8: media o baja visibilidad (o mayores de 25°) , heliostatos pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada Zona 9: ángulos de incidencia altos (mayores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) , reservada a heliostatos medianos sin astigmatismo con mancha minimizada y de faceta esférica o cilíndrica.

25. Campo mixto de heliostatos según reivindicaciones 3, 7 Y 11 caracterizado porque los heliostatos se distribuyen en cuatro zonas:

Zona 10: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) , y alta o muy alta visibilidad del receptor a < 25°, con heliostatos grandes de faceta cilíndrica o plana;

-Zona 11: media o baja visibilidad (a mayores de 25°) , heliostatos

pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada; -Zona 12: ángulos de incidencia bajos (menores del 45% del ángulo de incidencia anual máximo) reservada a heliostatos medianos sin astigmatismo con mancha minimizada y de faceta esférica o cilíndrica; -Zona 13: ángulos de incidencia muy bajos (menores del 30% del ángulo de incidencia anual máximo) , heliostatos pequeños sin astigmatismo con mancha minimizada.

Figura 1

Figura 2 Figura 3

Figura 4

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Figura 5

Figura 6

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Figura 8

Figura 9

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Figura 10

Figura 11