Receptor de superficie solar modular texturizado que funciona a alta temperatura.

Módulo (100) de receptor de superficie solar que funciona a alta temperatura, atravesado por un canal

(101) a lo largo del cual se efectúa una transferencia térmica entre un fluido (líquido o gas) en movimiento en dicho canal (101) y por lo menos una pared (104) del receptor expuesta a la radiación solar concentrada, caracterizado por que la superficie interna (105) de por lo menos dicha pared comprende a nivel de la entrada (102) de fluido unos accionadores (110) que generan unas turbulencias.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/065251.

Solicitante: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS).

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 3, rue Michel Ange 75794 Paris Cedex 16 FRANCIA.

Inventor/es: FLAMANT, GILLES, OLALDE, GABRIEL, DAGUENET,XAVIER, TOUTANT,ADRIEN, FOUCAUT,JEAN-MARC, COUDERT,SÉBASTIEN.

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... > F24J2/46 (Partes constitutivas, detalles o accesorios de los colectores de calor solar)
  • 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;... > INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL > PARTES CONSTITUTIVAS DE APLICACION GENERAL DE LOS... > Dispositivos para modificar la transferencia del... > F28F13/06 (afectando la forma de circulación de los medios que intercambian calor)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL > PARTES CONSTITUTIVAS DE APLICACION GENERAL DE LOS... > Dispositivos para modificar la transferencia del... > F28F13/12 (creando una turbulencia, p. ej. por agitación, por aumento de la fuerza de circulación (F28F 13/08 tiene prioridad))

PDF original: ES-2527630_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Receptor de superficie solar modular texturizado que funciona a alta temperatura.

La presente invención se refiere al campo de los receptores solares utilizados en los sistemas solares termodinámicos de temperatura muy alta.

Estos sistemas, denominados también heliotermodinámicos, permiten la transformación de una radiación solar en energía térmica. Esta energía puede ser recuperada directamente, o utilizada para la producción de electricidad o la alimentación de reacciones químicas.

El más clásico de estos sistemas heliotermodinámicos es la central de torre. Un sistema de este tipo está constituido por una torre y por un campo de espejos móviles denominados heliostatos, que concentra la radiación en una zona reducida en la parte superior de la torre.

Esta zona iluminada por la radiación concentrada recibe varios cientos de veces la energía normal solar, y está equipada con un dispositivo denominado receptor solar que tiene como función transmitir esta energía a un fluido (un líquido o un gas) caloportador para recalentar directa o indirectamente el aire o el vapor que alimentará una turbina para la producción de electricidad, o una solución química que es la base de las reacciones.

Así, se ha representado en la figura 1 una central termodinámica de torre que comprende la torre 1, un campo de heliostatos 2 y el receptor solar 3.

Estos receptores son los elementos clave de dichas centrales, ya que sus prestaciones dependen directamente de la aptitud de los receptores para absorber y después para transmitir la energía de la radiación, y su coste constituye una parte significativa de toda la central. Rama prometedora de las energías renovables, la solar térmica se puede convertir en una alternativa seria para la producción de electricidad convencional (energías fósiles, nuclear, etc.) siempre que:

- se alcancen excelentes rendimientos;

- se reduzcan los costes de construcción y de mantenimiento;

- pase a ser parte de una estrategia Industrial.

Se han propuesto diversos receptores para cumplir eficazmente esta función.

Unos receptores conocidos por el experto en la materia utilizan unos elementos metálicos que se calientan bajo el efecto de la radiación solar a la que están expuestos. Pero estos receptores no pueden superar los 7°C. El rendimiento en los mismos es limitado. Además, estos sistemas clásicos utilizan generalmente un fluido a base de sales fundidas por su buena capacidad térmica. Por otra parte, estas sales son contaminantes y sólo el aire o el vapor pueden ser utilizados en una turbina. Se necesita un ¡ntercamblador adicional.

El documento WO 42348 propone un receptor que comprende unos elementos porosos de cerámica irradiados por la radiación solar concentrada, a través de los cuales el aire ambiente circula y alcanza temperaturas muy altas. Sin embargo, para ser utilizable, este aire debe ser bombeado o debe recalentar otro circuito a través de un ¡ntercambiador, como en el caso de las sales fundidas, dando como resultado una concepción compleja.

Los documentos US n° 4.164.123, WO 9612918 y US n° 6.516.794 describen diversos sistemas de receptores solares volumétricos, que comprenden cada uno, entre otros, una cámara estanca con una ventanilla en la que un fluido bajo presión atraviesa un elemento poroso de cerámica irradiado a través de la ventanilla 9, como se puede ver en la figura 2. Se pueden alcanzar unas temperaturas de 75°C a 1°C, pero la ventanilla es cara y limita la fiabilidad, y sobre todo no permite el avance hacia receptores de gran tamaño necesario para aplicaciones de varios MW.

El documento WO 2161254 describe un módulo de receptor solar volumétrico, cuya pared es hueca y se rellena de un elemento poroso similar a los de los documentos citados anteriormente. Este elemento poroso aumenta las transferencias térmicas de la pared, aunque sigan siendo limitadas, y con la condición de que el módulo respete una forma paraboloide muy específica, resulta posible un intercambio térmico directo entre la pared irradiada y el fluido que circula en ella. Sin embargo, el elemento poroso crea fuertes pérdidas de carga (el fluido debe ser bombeado permanentemente, dando como resultado un coste energético), y resulta insuficiente como intercambiador térmico en cuanto el módulo supera un cierto tamaño.

A pesar de estos medios conocidos del estado de la técnica, las centrales solares termodinámicas con horno siguen siendo limitadas para los demostradores, y luchan para ser objeto de grandes proyectos.

En efecto, las limitaciones de los receptores siguen siendo muy grandes, e incluso si los receptores de alta temperatura ofrecen unas nuevas perspectivas, las pérdidas tanto térmicas como mecánicas en la circulación

impiden que la energía solar termodinámica sea competitiva.

Por todas estas razones, estas centrales están pendientes de ser perfeccionadas antes de poder hacerse un sitio entre las centrales de energías renovables.

La presente invención prevé resolver estas dificultades proponiendo un receptor solar de superficie que, mediante una estructura modular simple, permite trabajar a alta temperatura con buenas prestaciones, y es compatible con un tamaño industrial.

Un objetivo adicional de la invención es alcanzar este objetivo obteniendo al mismo tiempo un sistema más barato que el que se consigue según el estado de la técnica.

La presente invención se refiere por lo tanto a un módulo de receptor de superficie solar que funciona a alta temperatura, atravesado por un canal a lo largo del cual se efectúa una transferencia térmica entre un fluido (líquido o gas) en movimiento en dicho canal y por lo menos una pared del receptor expuesta a la radiación solar concentrada, caracterizado por que la superficie interna de por lo menos dicha pared comprende, a nivel de la entrada de fluido, unos accionadores que generan turbulencias.

Mediante esta estructura de módulo absorbente estanco, es posible un funcionamiento sobre unos gases a alta presión que no necesitan ventanilla. En efecto, gracias a la texturización de la superficie del canal en el que circula el gas, en particular los accionadores, se generan unas turbulencias sin aumentar significativamente las pérdidas de carga. Los vórtices de eje longitudinal así generados aumentan considerablemente el nivel de turbulencia y por lo tanto las transferencias convectivas entre el gas y la pared directamente expuesta a la radiación solar concentrada. La absorción de energía es superficial, y no volumétrica como en los sistemas anteriores.

Además, el módulo de acuerdo con la presente invención es un sistema sencillo que cumple directamente las funciones de intercambiador térmico librándose al mismo tiempo de las pérdidas mecánicas que se deben por ejemplo al paso de un elemento poroso.

Según otras características ventajosas y no limitativas de la invención:

- el módulo comprende unas nervaduras situadas según el flujo aguas abajo de los accionadores para canalizar las turbulencias y reducir las fricciones;

- los accionadores son unas aletas que forman un ligero ángulo con el eje de flujo y que presentan un borde delantero que parte de la superficie y que se aleja de ella siguiendo el flujo;

- los accionadores son unos triángulos rectángulos ortogonales a la superficie;

- los accionadores están orientados alternativamente a uno y otro lado del eje de flujo según una disposición contrarrotativa;

- los accionadores presentan una altura comprendida entre 1/3 y 2/3 de la longitud de su base, preferentemente la mitad;

- el ángulo de dichos accionadores con el eje de flujo está en valor absoluto comprendido entre 1° y 2°, preferentemente... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Módulo (1) de receptor de superficie solar que funciona a alta temperatura, atravesado por un canal (11) a lo largo del cual se efectúa una transferencia térmica entre un fluido (líquido o gas) en movimiento en dicho canal (11) y por lo menos una pared (14) del receptor expuesta a la radiación solar concentrada, caracterizado por que la superficie Interna (15) de por lo menos dicha pared comprende a nivel de la entrada (12) de fluido unos accionadores (11) que generan unas turbulencias.

2. Módulo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende unas nervaduras (12) situadas según el flujo aguas abajo de los accionadores (11) para canalizar las turbulencias y reducir las fricciones.

3. Módulo según la reivindicación 2, caracterizado por que dichos accionadores (11) son unas aletas que forman un ligero ángulo con el eje de flujo y presentan un borde de ataque (113) que parte de la superficie (15) y que se aleja de ella siguiendo el flujo.

4. Módulo según la reivindicación 3, caracterizado por que dichos accionadores (11) son unos triángulos rectángulos ortogonales a la pared (15).

5. Módulo según una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado por que dichos accionadores (11) están orientados alternativamente a uno y otro lado del eje del flujo según una disposición contrarrotativa.

6. Módulo según la reivindicación 5, caracterizado por que dichos accionadores (11) presentan una altura (h) comprendida entre 1/3 y 2/3 de la longitud (I) de su base (111), preferentemente la mitad.

7. Módulo según una de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que dichas nervaduras (12) son unas estructuras paralelas que se extienden longitudinalmente a lo largo del flujo.

8. Módulo según la reivindicación 7, caracterizado por que dichas nervaduras (12) están biseladas aguas arriba.

9. Módulo según una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado por que la separación entre el eje de dos nervaduras consecutivas (12a/12b) es un múltiplo de la altura (h) de los accionadores (11).

1. Módulo según la reivindicación 9, caracterizado por que comprende una nervadura (12a) alineada con el eje medio entre cada par de accionadores (11a/11b).

11. Módulo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una nervadura (12b) alineada con el extremo aguas abajo (112) de cada accionador (11).

12. Módulo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los accionadores (11) y las nervaduras (12) definen una vena única sin subdivisiones para repartir mejor el caudal.

13. Módulo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está constituido por un bloque en U recubierto con una tapa, unidos de manera estanca, y por terminales de extremo a la entrada (12) y salida (13).

14. Módulo según la reivindicación 13, caracterizado por que es de cerámica, preferentemente de carburo de silicio.

15. Receptor solar (3), caracterizado por que comprende un escudo reflector aislante (4) que delimita un volumen (5) cuyo fondo está constituido por la pared expuesta (14) de por lo menos un módulo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, y una abertura (6) enfrente de dicho fondo.