Colector solar.

Colector solar con un bastidor (47) y un concentrador tendido en el mismo de una manera apta para funcionar yconfigurado como parte integrante de una celda de presión,

cuyo concentrador presenta una disposición demembrana flexible (41) acodada de forma apta para funcionar en condiciones de presión de funcionamiento y dotadade una membrana de concentrador (42), caracterizado por que están previstos unos medios para variar la tensiónlineal reinante durante el funcionamiento en la disposición de membrana (41) y operativa para la curvatura de lamembrana de concentrador (42), al menos a lo largo de una o n líneas predeterminadas (65, 66), de tal manera quelas zonas (70, 71, 72) así producidas de la disposición de membrana (41) estén curvadas en grado diferente, lacurvatura sea diferenciable también continuamente en el lugar de ubicación de estas líneas predeterminadas (65,66) y las regiones de punto focal o de línea focal de las zonas diferentemente curvadas (70, 71, 72) coincidansustancialmente.

Colector solar.

La presente invención concierne a un colector de radiación según la reivindicación 1.

Los colectores de radiación o concentradores de la clase citada se utilizan, entre otras aplicaciones, en centrales eléctricas solares.

Hasta el día de la fecha, no se ha logrado, a causa de las desventajas aún no superadas de la fotovoltaica, generar corriente eléctrica solar aplicando esta tecnología de una manera que cubra aproximadamente los costes. Por el contrario, las centrales térmicas solares producen ya desde hace algún tiempo corriente eléctrica, a escala industrial, a unos precios que - en comparación con la fotovoltaica - están cerca de los precios comerciales hoy en día usuales para corriente eléctrica generada de manera convencional.

En las centrales térmicas solares se refleja la radiación del sol mediante colectores con ayuda del concentrador y se la enfoca deliberadamente sobre un lugar en el que se originan así altas temperaturas. El calor concentrado puede evacuarse y emplearse para el funcionamiento de máquinas motrices térmicas tales como turbinas que, a su vez, accionan los generadores que producen la corriente eléctrica.

Hoy en día, se utilizan tres formas básicas de centrales térmicas solares: sistemas disco-Stirling, sistemas de central eléctrica de torre solar y sistemas de artesas parabólicas.

Los sistemas disco-Stirling están equipados con espejos paraboloidales que concentran la luz solar sobre un punto focal en el que está dispuesto un receptor de calor. Los espejos están montados de manera giratoria sobre dos ejes para poder ser reajustados a la altura actual del sol, y poseen un diámetro de unos pocos metros hasta 10 m y más, con lo que se consiguen entonces potencias de hasta 50 kW por módulo. Un motor Stirling instalado en el receptor de calor transforma directamente la energía térmica en trabajo mecánico mediante el cual se genera a su vez corriente eléctrica.

En este punto cabe remitirse a las formas de realización representadas en la patente US-PS 4, 543, 945 y a las plantas instaladas Distal y Eurodish de la UE en España.

La patente US-PS 4, 543, 945 muestra en una primera forma de realización un principio de construcción de un colector con una celda de presión, consistente en dos membranas redondas consecutivas unidas por el lado del borde, estando la superior configurada como transparente y estando la inferior provista de una capa reflectante. En el estado inflado la celda de presión presenta una forma lenticular, estando ambas membranas curvadas en forma esférica, con la consecuencia de que la radiación incidente a través de la parte transparente es concentrada por la capa reflectante en una región en la que se puede extraer el calor. En una segunda forma de realización se emplea una celda de depresión en lugar de una celda de presión, con lo que la membrana con la capa reflectante es puesta en una posición de funcionamiento esférica por la presión ambiente.

Las plantas Distal I y Distal II (puestas en servicio en 1992 y 1997, respectivamente) poseen concentradores montados en una estructura de celosía que están tendidos como membranas extensibles sobre la estructura de celosía y que se mantienen en la posición de funcionamiento por medio de una bomba de vacío. En principio, la estructura de celosía forma una cavidad sellada que es cubierta por la membrana -tal como ocurre con la membrana del tímpano. Mediante la presión generada por la bomba de vacío se succiona hacia dentro de la estructura de celosía la membrana que forma el concentrador (o bien se la introduce a presión desde fuera en la estructura de celosía por efecto de la presión ambiente) , y dicha membrana adopta entonces una forma sustancialmente esférica, pero próxima al paraboloide - la posición de funcionamiento. Distal II posee un diámetro de espejo o un diámetro de concentrador de 8, 5 m.

El empleo de una membrana va acompañado de la ventaja del pequeño peso, lo que a su vez conduce a un menor gasto para la estructura de celosía sobre la cual se tiende la membrana. En comparación con un espejo convencional, pesado y costoso en su fabricación, el gasto de construcción es notablemente más reducido.

Los sistemas de central eléctrica de torre solar poseen un absorbedor central montado en posición elevada (sobre la “torre”) para la luz solar reflejada conjuntamente hacia él por centenares a millares de espejos individuales, con lo que se concentra en el absorbedor la energía de radiación del sol a través de los muchos espejos o concentradores y se alcanzan así temperaturas de hasta 1300ºC, lo que es favorable para el rendimiento de las máquinas térmicas pospuestas (en general, una central eléctrica de turbinas de vapor o de fluido para la generación de corriente eléctrica) . La planta “Solar two” de California posee una potencia de varios MW.

Las centrales eléctricas de artesas parabólicas poseen colectores en un número elevado que presentan concentradores largos con una pequeña dimensión transversal, y, por tanto, no poseen un punto focal, sino una línea focal. Estos concentradores lineales poseen hoy en día una longitud de 20 m hasta 150 m. En la línea focal discurre un tubo absorbedor para el calor concentrado (hasta unos 500ºC) , que transporta este calor hacia la central

eléctrica. Como medio de transporte entra en consideración, por ejemplo, aceite térmico o vapor de agua recalentado.

Las centrales eléctricas de artesas parabólicas 9 SEGS de California del Sur producen conjuntamente una potencia de aproximadamente 350 MW. La central eléctrica “Nevada Solar One” incorporada a la red en 2007 posee colectores en artesa con 182.400 espejos curvados que están dispuestos sobre una superficie de 140 hectáreas, y produce 65 MW.

Otro ejemplo de una central eléctrica de artesas parabólicas es Andasol 1 en Andalucía, con una superficie del concentrador de 510.000 m2 y 50 MW de potencia, debiendo alcanzar la temperatura en los tubos absorbedores aproximadamente 400ºC. Los costes ascienden a trescientos millones de euros. Lo mismo ocurre con Andasol 2, que deberá incorporarse a la red en 2009, y con la Andasol 3 proyectada.

Haciendo un cálculo aproximado, se puede constatar que el 40% o más de los costes totales para una central eléctrica solar recaen sobre los colectores y que el rendimiento de la central eléctrica viene determinado decisivamente por la calidad de los concentradores.

En el documento WO 2008/037108 se proponen colectores, especialmente colectores en artesa, cuyosconcentradores presentan una membrana revestida. Éstos son adecuados para su empleo industrial dentro del orden de magnitud antes citado y materializan las ventajas pretendidas tales como, por ejemplo, una construcción sencilla y costes reducidos.

Sin embargo, debido a los concentradores inevitablemente curvados en forma esférica se producen pérdidas de rendimiento frente a los espejos convencionalmente producidos con curvatura parabólica. En consecuencia, en una forma de realización adicional el concentrador deberá ser solicitado a tramos con una presión diferente para que su zona interior esté más fuertemente curvada en comparación con las zonas exteriores adyacentes, con lo que se obtiene una aproximación a la forma parabólica, y así la región de la línea focal se aproxima a la línea focal teórica de un colector en artesa parabólico.

La separación de las zonas de presión se efectúa por medio de labios de sellado o tiras de material espumado semipermeables que permitan un “sellado suficiente”, sin “perjudicar mecánicamente” al concentrador. Debido al contacto de la disposición de junta con el concentrador consistente en una delgada membrana de gran superficie se produce inevitable y desventajosamente una distorsión de la curvatura esférica de la membrana, lo que tiene la consecuencia de una concentración aún más empeorada de la radiación solar. Como resultado, el rendimiento disminuye entonces en mayor medida de lo que podría ser mejorado por las zonas con curvatura diferentes.

El sellado suficiente revelado, que deberá evitar un perjuicio mecánico, requiere una corriente de aire de fuga constante de modo que el concentrador flote sobre la disposición de junta (y así sea solicitado por igual en toda su superficie) , compensándose constantemente a su vez la corriente de aire de fuga por medio de un ventilador que funciona al mismo tiempo.

Sin embargo, el perjuicio mecánico puede tener lugar ya también realmente sin contacto mecánico por efecto del aire que circula intencionadamente sobre y a través de la disposición de junta, con lo que se plantean finalmente... [Seguir leyendo]

1. Colector solar con un bastidor (47) y un concentrador tendido en el mismo de una manera apta para funcionar y configurado como parte integrante de una celda de presión, cuyo concentrador presenta una disposición de membrana flexible (41) acodada de forma apta para funcionar en condiciones de presión de funcionamiento y dotada de una membrana de concentrador (42) , caracterizado por que están previstos unos medios para variar la tensión lineal reinante durante el funcionamiento en la disposición de membrana (41) y operativa para la curvatura de la membrana de concentrador (42) , al menos a lo largo de una o n líneas predeterminadas (65, 66) , de tal manera que las zonas (70, 71, 72) así producidas de la disposición de membrana (41) estén curvadas en grado diferente, la curvatura sea diferenciable también continuamente en el lugar de ubicación de estas líneas predeterminadas (65, 66) y las regiones de punto focal o de línea focal de las zonas diferentemente curvadas (70, 71, 72) coincidan sustancialmente.

2. Colector solar según la reivindicación 1, en el que el colector solar es un colector en artesa cuya disposición de membrana (41) presenta dos secciones dispuestas simétricamente una respecto de otra, en el que los medios para cada sección de la disposición de membrana (41) presentan una primera membrana adicional (60) que está tendida de tal manera que, en condiciones de presión de funcionamiento, la respectiva sección de la membrana de concentrador (42) descansa en una primera región (63) , desde su extremo exterior hasta una primera línea predeterminada (65) , sobre la primera membrana adicional (60) , y en el que esta última está pretensada contra un primer lugar predeterminado por debajo del extremo interior de la membrana de concentrador (42) .

3. Colector en artesa según la reivindicación 2, en el que los medios para cada sección de la disposición de membrana (41) comprenden una segunda membrana adicional (61) que está tendida de tal manera que, en condiciones de presión de funcionamiento, la membrana de concentrador (42) descansa en una segunda región (64) , desde su extremo exterior hasta una segunda línea predeterminada (66) , a través de la primera membrana adicional (60) , sobre la segunda membrana adicional (61) , y en el que esta última está pretensada contra un segundo lugar predeterminado por debajo del primer lugar predeterminado de ubicación de la primera membrana adicional (60) .

4. Colector en artesa según la reivindicación 2 ó 3, en el que unas zonas mutuamente sobrepuestas de la membrana de concentrador (42) y/o de las membranas adicionales (60, 61) están al menos parcialmente unidas una con otra o bien están configuradas formando una sola pieza.

5. Colector en artesa según una o ambas de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que están previstos unos medios de sujeción para amarrar al menos una de las membranas adicionales (60, 61) , los cuales apresan esta membrana después de la línea predeterminada (65, 66) asociada a ella y la pretensan contra el lugar de ubicación predeterminado asociado a ella.

6. Colector en artesa según la reivindicación 2, en el que la primera membrana adicional (60) se extiende más allá de la primera línea predeterminada (65) y se extiende también hacia dentro a través de una primera región adicional (82) , y el espacio encerrado entre la membrana de concentrador (42) y la primera región adicional (82) está configurado como una primera cámara de presión (84) estanca al fluido, y en el que están previstos unos medios para mantener en esta cámara una primera presión de funcionamiento pI.

7. Colector en artesa según la reivindicación 3 ó 6, en el que la segunda membrana adicional (61) se extiende hacia dentro, a través de una segunda región adicional (87) , hasta más allá de la segunda línea predeterminada (66) , y el espacio formado entre la membrana de concentrador (42) o la primera región adicional (82) y la segunda regional adicional (87) está configurado como una segunda cámara de presión (88) estanca al fluido, y en el que están previstos unos medios para mantener en esta cámara una segunda presión de funcionamiento pII.

8. Colector en artesa según las reivindicaciones 5 y 6, en el que están previstos unos medios de sujeción para la primera membrana adicional (60) y la segunda membrana adicional (61) se extiende hacia dentro en una segunda región adicional (87) hasta más allá de la segunda línea envolvente de carga (66) , y el espacio formado entre la membrana de concentrador (42) y la segunda región adicional (87) está configurado como una cámara de presión estanca al fluido, y en el que están previstos unos medios para mantener en esta cámara una segunda presión de funcionamiento.

9. Colector solar según la reivindicación 1, en el que el colector solar es un colector en artesa cuya membrana de concentrador (42) presenta dos secciones dispuestas simétricamente una con respecto a otra, en el que los medios para cada sección de la membrana de concentrador (42) presentan unos primeros medios de sujeción que están configurados para, en el lugar de ubicación de una primera línea predeterminada (65) , introducir una primera fuera de sujeción lineal en la membrana de concentrador (42) , y en el que los primeros medios de sujeción presentan preferiblemente una primera membrana de sujeción (101) que, en el lugar de ubicación de la primera línea predeterminada (65) , está unida con la membrana de concentrador (42) de una manera apta para funcionar, y el espacio formado entre la membrana de concentrador (42) y la primera membrana de sujeción (101) está configurado de manera especialmente preferida como una primera cámara de presión estanca al fluido, y están previstos unos

medios para mantener en esta cámara una primera presión de funcionamiento pI.

10. Colector en artesa según la reivindicación 9, en el que los medios para cada sección de la membrana de concentrador (42) presentan unos segundos medios de sujeción que están configurados para, en el lugar de ubicación de una segunda línea predeterminada (66) , introducir una fuerza de sujeción lineal en la membrana de concentrador (42) , y en el que los segundos medios de sujeción presentan preferiblemente una segunda membrana de sujeción (102) que, en el lugar de ubicación de la segunda línea predeterminada (66) , está unida con la membrana de concentrador (42) de una manera apta para funcionar, y en el que el espacio formado entre la primera membrana de sujeción (191) y la segunda membrana de sujeción (102) está configurado de manera especialmente preferida como una segunda cámara de presión estanca al fluido, y están previstos unos medios para mantener en esta cámara una segunda presión de funcionamiento pII.

11. Colector solar según la reivindicación 1 con una membrana de concentrador de forma circular, en el que los medios presentan una primera membrana adicional que está tendida de tal manera que, en condiciones de presión de funcionamiento, la membrana de concentrador descanse en una primera región, desde su extremo exterior hasta una primera línea predeterminada, sobre la primera membrana adicional, y en el que esta última está pretensada contra un primer lugar predeterminado por debajo del extremo interior de la membrana de concentrador.

12. Colector solar según la reivindicación 1 con una membrana de concentrador de forma circular, en el que los medios presentan unos primeros medios de sujeción que están configurados para, en el lugar de ubicación de una primera línea predeterminada, introducir una primera fuerza de sujeción lineal en la membrana de concentrador, y en el que los primeros medios de sujeción presentan preferiblemente una primera membrana de sujeción que, en el lugar de ubicación de la primera línea predeterminada, está unida con la membrana de concentrador de una manera apta para funcionar y el espacio formado entre la membrana de concentrador y la primera membrana de sujeción está configurado de manera especialmente preferida como una primera cámara estanca al fluido, y están previstos unos medios adicionales para mantener en esta cámara una primera presión de funcionamiento.

13. Colector solar según la reivindicación 12, en el que los medios para cada sección de la membrana de concentrador presentan unos segundos medios de sujeción que están configurados para, en el lugar de ubicación de una segunda línea predeterminada, introducir una fuerza de sujeción lineal en la membrana de concentrador, y en el que los segundos medios de sujeción presentan preferiblemente una segunda membrana de sujeción que, en el lugar de ubicación de la segunda línea predeterminada, está unida con la membrana de concentrador de una manera apta para funcionar, y en el que el espacio formado entre la primera membrana de sujeción y la segunda membrana de sujeción está configurado de manera especialmente preferida como una segunda cámara de presión estanca al fluido, y están previstos unos medios adicionales para mantener en esta cámara una segunda presión de funcionamiento.

14. Colector en artesa según cualquiera de las reivindicaciones 6, 7, 9 ó 10, en el que la membrana de concentrador

(42) atraviesa la celda de presión (40) de una manera estanca al fluido y la divide en una cámara de concentrador superior (50) para presión de concentrador y una cámara de compensación inferior (80) para presión de compensación, y en el que la presión de concentrador pk es mayor que la primera presión de funcionamiento pI y ésta es mayor que la segunda presión de funcionamiento pII, la cual a su vez es mayor que la presión de compensación pA, y en el que la presión de compensación pA es mayor que la presión exterior pexterior.

15. Colector solar según la reivindicación 1, en el que el colector solar es un colector en artesa que presenta un tubo absorbedor (52) con un aislamiento exterior, un espacio absorbedor interior y una abertura tipo hendidura (52’) prevista en el aislamiento exterior para el paso de radiación solar concentrada hacia el espacio absorbedor, y las regiones de punto focal o de línea focal de las zonas diferentemente curvadas (70, 71, 72) están situadas en la región de la abertura tipo hendidura (52’) .

16. Procedimiento para fabricar un colector solar según la reivindicación 1, caracterizado por que, para determinar la curvatura de la membrana de concentrador (42) en las respectivas zonas (70, 71, 72) , se define en un primer paso, partiendo de los sitios de sujeción de la membrana de concentrador (42) en el colector y de la posición de un absorbedor de calor o de un tubo absorbedor (52) , una forma parabólica a aproximar por medio de la membrana de concentrador (42) , debiendo conseguirse la aproximación por medio de n+1, preferiblemente 3 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) de la membrana de concentrador (42) y suponiéndose para ello n líneas predeterminadas (65, 66) sobre la forma parabólica, en un segundo paso se determina por el método de interpolación arcspline una primera configuración de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) , y en un tercer paso se minimizan preferiblemente con el método de Levenberg-Marquardt, con un desplazamiento de las n líneas predeterminadas (65, 66) , los errores producidos por la interpolación arcspline en la primera configuración de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) en cuanto a su desviación en altura con respecto a la forma parabólica a aproximar, de modo que se determina una segunda configuración así obtenida de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) que se aproxima de manera mejorada a la forma parabólica a aproximar.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el que se minimizan en el tercer paso, preferiblemente con el método de Levenberg-Marquardt, los errores producidos por la interpolación arcspline en la primera configuración de

las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) en cuando a su pendiente respecto de la forma parabólica a aproximar, de modo que se determina una segunda configuración de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) que se aproxima de manera mejorada a la forma parabólica a aproximar respecto de la posición de sus regiones de línea focal.

18. Procedimiento según la reivindicación 16 ó 17, en el que se minimizan en el tercer paso de forma ponderada, con un peso creciente al hacerse mayor la distancia, preferiblemente con el método de Levenberg-Marquardt, los errores producidos por la interpolación arcspline en la primera configuración de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) en cuanto a su distancia al punto focal o a la línea focal de la forma parabólica a aproximar, de modo que se determina una segunda configuración de las n+1 zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) que se aproxima de manera mejorada a la forma parabólica a aproximar respecto de la extensión mínima de sus regiones de línea focal.

19. Procedimiento según las reivindicaciones 17 y 18, en el que se minimiza en el tercer paso, de manera más fuertemente ponderada, la minimización de los errores según la pendiente y con distancia creciente al punto focal o a la línea focal de la forma parabólica a aproximar, de modo que se determina una segunda configuración de las n+1

zonas esféricamente curvadas (70, 71, 72) que se aproxima de manera mejorada a la forma parabólica a aproximar respecto de la posición y la extensión mínima de sus regiones de línea focal.