Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante,

en el que el tubo que recibe la radiación solar concentrada no está soportado ni directamente sobre el espejo parabólico, ni sobre apoyos directos en el terreno, sino que pende de la parte superior central de un pórtico cuyos pilares y larguero superior son exteriores al volumen barrido por el cuerpo cilindro-parabólico en su giro de colimación al sol; quedando el tubo absorbedor en posición fija, y su eje central en coincidencia con el eje de giro del cuerpo cilindro-parabólico, que se soporta trasversal y longitudinalmente por un armazón estructural encastrado en sus extremos longitudinales en los correspondientes apoyos

Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de los colectores de energía solar térmica mediante concentración cilindro-parabólica de la radiación originaria, que se enfoca sobre un tubo de superficie absorbente de la radiación, por dentro del cual circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, como puede ser un ciclo termodinámico. En estos colectores se concentra la radiación solar en un eje focal longitudinal, próximo y paralelo al cual se ubica el citado tubo absorbedor.

Antecedentes de la invención

Como antecedente genérico hay que señalar la central solar térmica SEGS de California (www.fplenergy.com/port folio/contents/segs_viii.shtml) y varios montajes existentes en la Plataforma Solar de Almeria (www.psa.es) así como en centrales en construcción en España (Andasol, www.flagsol.com/andasol), que usan colectores que giran sobre su eje longitudinal de sujeción, que habitualmente coincide con el ápice de la parábola (en cada sección recta) y es una línea paralela al eje focal, de tal modo que el giro del colector para mantener la colimación al sol no modifica la posición relativa del tubo respecto de la parábola, pues el tubo es solidario a ella. Esta disposición provoca que el tubo se desplace en un movimiento giratorio de traslación respecto del eje de sujeción del conjunto, a medida que todo el cilindro parabólico ha de girar para estar siempre orientado al sol, de tal modo que los rayos de éste sean reflejados hacia el eje focal del cilindro parabólico. A medida que el sol se mueve en su trayectoria diurna, el cuerpo del cilindro, con el tubo solidario a él en su eje focal, ha de girar, para mantener el enfoque adecuado. Si el montaje de los colectores es según el meridiano (norte-sur) el giro es algo menor de 180º (grados sexagesimales), desde el amanecer a la puesta de sol, restituyéndose luego el colector a la posición de amanecer. Si el montaje es este-oeste (línea del paralelo) el movimiento giratorio no es tan amplio, pues va desde 0º (horizontal local) hasta la altura del sol en su cenit, que varía con la estación del año, y adquiere su máximo al principio del verano, pudiendo llegar como mucho a 90º, aunque en latitudes peninsulares españolas es de unos 75º máximo.

El tubo absorbedor ha de girar en movimiento de traslación alrededor del eje de sujeción, que es el fijo respecto del suelo, y por tanto respecto de las instalaciones fijas, entre las cuales estará la que se usa para convertir en energía útil el calor absorbido en el tubo por el fluido calorífero. Dicho giro de traslación del tubo (asociado al del cilindro en un todo) comporta un problema: debe disponerse de un acoplamiento rotativo desde los extremos del tubo absorbedor a los tubos fijos de conexión con la instalación de conversión de energía. Ello se hace actualmente mediante un tubo radial, que va de la línea del eje de sujeción al eje focal, o viceversa (según entre o salga el fluido del colector), teniendo que estar dicho tubo radial conectado al tubo del eje focal mediante una pieza tubular en forma de codo, que en su extremo horizontal tiene una junta rotativa para conectar con el tubo del eje parabólico. A su vez, una pieza en codo similar, con junta rotativa, hace falta para conectar el tubo radial con el tubo fijo que conecta con la instalación fija.

Para eliminar el problema de las juntas rotativas y la posibilidad de fuga que representan, se han propuesto varias tipos de colectores cilindro-parabólicos sin juntas rotativas en las uniones de sus extremos, lo cual se ha materializado, en particular, en las solicitudes de patente P200801777, "Colector solar cilindro-parabólico suspendido rotante con tubo absorbedor fijo" y P20081909, "Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados con tubo absorbedor fijo", las cuales proponen, con montajes diferentes, el uso de un tubo fijo para absorber la radiación solar concentrada.

En los montajes propuestos en dichas solicitudes subyace un problema fundamental, y es que ni la superficie parabólica especular ni la estructura que la soporta por debajo pueden ser continuas entre pilares o apoyos de dicho conjunto material, pues el tubo fijo, que lleva pilares independientes, necesita sus propios apoyos cada 4 metros o así, por no soportar más vano la cubierta transparente que recubre el tubo absorbedor. Ello quiere decir que el espejo y su estructura inferior se han de interrumpir cada 4 metros, o cada tramo correspondiente a la luz entre pilares del tubo fijo. Eso limita la eficacia de los modelos de las solicitudes citadas, pues la estructura sólo puede ser continua por encima de la línea focal del espejo cilindro parabólico, de tal manera que éste pueda girar casi desde -90º sexagesimales a la izquierda a + 90º a la derecha, según la trayectoria diurna del sol, sin chocar con los apoyos o pilares que sustentan el tubo fijo. En realidad no hace falta tanto arco circular de movimiento, pues cuando el sol está muy bajo, tanto a levante como a poniente, la intensidad de su radiación es muy pequeña, y no llega a los mínimos técnicos de la planta, de modo que la operación de ésta está esencialmente contenida entre -75º y +75º del meridiano local. No obstante, la necesidad de no chocar con los pilares del tubo fijo hace que la estructura de soporte del sistema parabólico no pueda ser continua sino en su cercha superior, que está por encima de la línea focal cuando el espejo está en posición tal que su plano de simetría coincide con el plano vertical.

El tubo absorbedor va recubierto de un cilindro de material transparente, típicamente vidrio, y entre ambos tubos se hace el vacío para minimizar las pérdidas térmicas. Como el tubo transparente no tiene buenas propiedades mecánicas a la flexión, no se puede hacer de longitud muy larga, siendo habitualmente de 4 metros, para los vidrios usados a tal fin. Cada 4 metros, ambos tubos, el metálico interior y el exterior de vidrio, se sueldan entre sí mediante un fleje con forma de corona circular plegada, con objeto de mantener el citado vacío. Eso constituye un módulo de tubo absorbedor, y los tubos se empalman módulo tras otro mediante soldadura del tubo metálico, que en esa zona es aislado térmicamente. En las uniones entre módulos consecutivos de tubo se ubican los soportes del tubo, bien sobre la propia estructura del espejo parabólico, en el caso convencional, bien sobre los pilares de apoyo, en el modelo de colector con tubo fijo. Así pues, cada 4 metros hay un pilar del tubo, en este tipo de colector.

El problema a resolver, pues, es encontrar un montaje en el cual el tubo del fluido calorífero esté fijo, siempre en el eje focal o en inmediata cercanía y paralelo a él, pero con un sistema de soporte que no impida la existencia de una estructura longitudinalmente continua por debajo del espejo parabólico.

Existe además otro problema adicional no pertinentemente resuelto en los modelos o tipos propuestos hasta la fecha, y es la ausencia de rigidez del espejo parabólico y su soporte cuando todo el conjunto gira desde la posición vertical a cierto grado de inclinación. Aunque en los extremos longitudinales del módulo de colector, justo antes de que la estructura de soporte se encastre en los pilares de apoyo, se puede poner una estructura transversal de rigidez, ésta no existe en ninguna sección recta intermedia en los colectores comercializados ni propuestos anteriormente. Cabe plantear su intercalación en diversos tramos longitudinales, principalmente cerca de las interrupciones de la cubierta transparente del tubo absorbedor, que es donde se colocan sus soportes, lo cual conferiría a la estructura global un mayor grado de rigidez que puede ser muy útil para el correcto funcionamiento de ésta.

Explicación de la invención

La invención consiste en configurar los colectores cilindro-parabólico de reflexión simple, con tubo absorbedor fijo, de manera novedosa mediante aplicación de dos ideas innovadoras que consisten en:

1. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, basado en una estructura 3 que soporta el cuerpo del espejo cilindro-parabólico 2, estando todo suspendido de sendos pilares (26) en sus extremos, estando constituidos los cabezales de dichos pilares por una pieza con orificio cilíndrico horizontal, llamada ojal (29), con cabida para que, concéntricamente, pase el tubo absorbedor (1), y el tubo grueso giratorio solidario al cuerpo del espejo y su armazón estructural, 3, sin rozar con el tubo fijo, y se encastre en el ojal así mismo un cojinete de rodamientos que es donde descansa el tubo grueso giratorio, caracterizado porque el tubo fijo 1 está suspendido de una serie de pórticos 13 en coincidencia con los tramos en los que se produce una unión entre dos módulos consecutivos de tubo absorbedor, 1; construyéndose dichos pórticos con dos pies derechos 12 simétricos respecto del tubo, a distancia tal del centro del tubo que sea superior en 1 metro al radio de giro de la pieza de la estructura 3, más alejada del centro del tubo 1, y rematando el pórtico en su parte superior por un larguero 11, rígidamente unido a los extremos superiores de los pies derechos 12, que han de tener de altura la del centro del tubo, más el anteriormente mencionado radio mayor de giro, más 1 metro; y bajando perpendicularmente del centro del larguero 11 una pieza vertical rígida, 10, solidaria al larguero, que sujeta al tubo 1 en una unión entre módulos consecutivos, siendo la altura del centro del tubo exactamente igual a la del centro de los ojales 29 de los soportes 26.

2. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicación primera, caracterizado por que el montaje de suspensión del tubo 1 consta de un tubo-canaleta rígido 14 solidario al larguero del pórtico y perpendicular a él hacia abajo, que no llega hasta el tubo 1, sino que queda a una distancia de él de medio radio del tubo, y por dentro del cual pasa un cable 15 que amordaza la abrazadera del tubo absorbedor 1 por la zona de su unión entre módulos, saliendo por arriba el cable 15 atravesando el larguero 11, para enrollarse un cuarto de vuelta en una polea simple, 16, que orienta al cable en paralelo al larguero 11 hasta uno se sus extremos, donde otra polea 17 orienta el cable hacia tierra, con cierta inclinación, quedando el cable unido a un tensionador, 18, que por su otro lado lleva un cable 19 que va anclado en tierra a través del anclaje 20,

3. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque la tensión ejercida sobre el tensionador 18 tira o afloja el cable 15 de sustentación, y fija al tubo 1 en una altura próxima al eje focal del colector, y exáctamente igual a la del centro de los ojales 29 de los pilares 26 de soporte del cuerpo del espejo 2 y su estructura 3.

4. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicación primera, caracterizado porque cada pórtico de la serie de pórticos consiste en dos pies derechos 12 simétricos respecto del tubo, y con las distancias en horizontal dadas en la reivindicación primera, y de altura 30% superior a la dada para el pórtico en la reivindicación primera, colgando del extremo superior de cada pie derecho sendos cables, 22, entre sí simétricos, que confluyen en vertical sobre el eje longitudinal del tubo 1, bajando en vertical otro cable 23 desde dicha confluencia, que está constituida por una unión atornillada con mordazas de cable, que hacen solidarios a los cables, sujetando, el que cae verticalmente, 23, al tubo 1, merced a una abrazadera que lo rodea en el tramo de unión entre módulos de tubo consecutivos.

5. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los pies derechos 12 van arriostrados por cables transversales 21 anclados en tierra y fijos al extremo superior del pie derecho correspondiente.

6. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicaciones primera a cuarta, caracterizado porque los pies derechos van dotados de cables de arriostramiento longitudinal 24, tanto en el caso de usar pórticos rígidos como en el de emplear cables 22 y 23 en vez de larguero rígido 11.

7. Colector solar cilindro-parabólico con tubo absorbedor fijo colgante, según reivindicaciones primera y segunda, caracterizado por que se dispone de un arriostramiento longitudinal rígido, mediante tirantes 30, que unen por ambas esquinas superiores, izquierda y derecha, pórticos sucesivos.