Dispositivo concentrador-captador de energía solar.

Comprende un reflector-concentrador estacionario (1) con unos módulos reflectores-concentradores (5) unidos a una estructura estacionaria (21) formando una matriz.

Cada módulo reflector-concentrador (5) comprende un armazón (6) y al menos una porción de superficie reflectante (8) configurada para reflejar rayos solares y concentrarlos en un foco lineal. La estructura estacionaria (21) está formada por los armazones (6) fijados a unos perfiles de soporte (13a, 13b, 13c). Un receptor móvil (2) comprende una estructura móvil (3) soportando unos elementos receptores (35) paralelos a los focos lineales. Un mecanismo de seguimiento (4) está conectado a varios de los perfiles de soporte (13a) y a la estructura móvil (3) para soportar y mover la estructura móvil (3) sobre el reflector-concentrador estacionario (1) a propósito para que los elementos receptores (35) sigan una trayectoria de máxima confluencia de rayos solares reflejados por las superficies reflectantes a medida que cambia la posición relativa del Sol

Dispositivo concentrador-captador de energía solar.

Campo de la técnica

La presente invención concierne en general a un dispositivo concentrador-captador de energía solar y más en particular a un dispositivo concentrador-captador de energía solar comprendiendo un reflector estacionario para reflejar y concentrar los rayos solares y un receptor móvil movido por un mecanismo de seguimiento para seguir la máxima confluencia de rayos solares reflejados por el reflector fijo a medida que cambia la posición relativa del Sol.

Antecedentes de la invención

Se conocen captadores solares configurados para captar la energía térmica o fotovoltaica de los rayos solares que inciden directamente sobre los mismos. Sin embargo, la eficiencia energética de tales captadores es relativamente baja debido a la baja densidad energética de los rayos incidentes. Hay captadores solares de este tipo que utilizan la energía térmica de los rayos solares para calentar un fluido caloportador. Sin embargo, el fluido caloportador sólo puede alcanzar temperaturas poco elevadas que no permiten que la energía térmica pueda ser transformada en trabajo mecánico.

La patente US-A-3868823 da a conocer un dispositivo concentrador-captador que comprende unas superficies reflectantes adaptadas para reflejar rayos incidentes substancialmente paralelos hacia unos respectivos focos lineales que se mueve en una trayectoria predeterminada en respuesta a cambios en el ángulo de los rayos incidentes, unos receptores lineales dispuestos para recibir los rayos reflejados, y unos mecanismos de seguimiento accionados para mover los receptores en coincidencia con los mencionados focos lineales a medida que los focos lineales se desplazan a lo largo de dicha trayectoria predeterminada. Cada superficie reflectante puede ser una superficie cóncava continua o puede estar formada por distintos segmentos planos. En una aplicación, las superficies reflectantes están dispuestas para reflejar los rayos solares y el receptor incluye un conducto para transportar un fluido caloportador que es puesto en ebullición por el efecto de calentamiento de los rayos solares concentrados, de manera que el vapor resultante puede ser utilizado para generar trabajo mecánico.

La patente GB-A-1581253 describe un dispositivo concentrador-captador similar al de la citada patente US-A-3868823, en el que las superficies reflectantes del reflector fijo están soportadas sobre una estructura sándwich compuesta por una chapa metálica superior, una chapa metálica inferior, y una espuma rígida aislante entre ambas. En un ejemplo de realización, las superficies reflectantes están proporcionadas por una superficie exterior pulida de la chapa metálica superior. Varias estructuras sándwich están dispuestas las unas al lado de las otras y sus bordes laterales están unidos entre sí de manera estanca a propósito para actuar como un tejado de un edificio. Varios receptores lineales están integrados en una estructura móvil soportada por una pluralidad de brazos de soporte pivotantes montados sobre una estructura fija que soporta el reflector, de manera que la estructura móvil, los brazos de soporte pivotantes y la estructura fija actúan como un paralelogramo articulado para guiar el movimiento de todos los receptores al unísono respecto a sus respectivas superficies reflectantes a lo largo de una trayectoria circular seleccionada para seguir la máxima concentración de los rayos solares reflejados. Un mecanismo de seguimiento accionado por un motor está conectado mediante un brazo de accionamiento a la estructura móvil para mover la estructura móvil a lo largo de una porción de dicha trayectoria circular en sincronía con el movimiento relativo del Sol.

Para una buena eficiencia, las posiciones relativas entre las superficies reflectantes y los receptores son críticas para asegurar que los receptores lineales se encuentran en todo momento en coincidencia con las áreas de máxima confluencia de rayos reflejados. Esto implica conseguir precisión en las posiciones de las superficies reflectantes las unas respecto a las otras y respecto a la estructura fija durante la instalación del reflector fijo, precisión en las posiciones de los receptores lineales los unos respecto a los otros y respecto a la estructura móvil durante la construcción e instalación de la estructura móvil, y precisión en las posiciones de los ejes sobre los que giran los brazos de soporte pivotantes que guían los movimientos de la estructura móvil en relación con las superficies reflectantes durante la instalación de la estructura móvil y del mecanismo de seguimiento asociado en la estructura fija. Pequeños errores o tolerancias acumuladas en el posicionamiento de los diferentes elementos pueden hacer que los receptores lineales estén situados y se muevan desplazados de las áreas de máxima confluencia de rayos reflejados, y que con ello se pierda en mayor o menor medida el beneficio de concentrar los rayos solares.

En las citadas patentes US-A-3868823 y GB-A-1581253 no está descrito ni sugerido ningún dispositivo o procedimiento específico para posicionar los diferentes elementos del dispositivo concentrador-captador los unos respecto a los otros con una precisión adecuada. Un procedimiento clásico de instalación de un dispositivo concentrador-captador de este tipo comprende fijar las superficies reflectantes sobre una estructura fija, construir la estructura móvil incluyendo los receptores lineales e instalar la estructura móvil sobre la estructura fija mediante los brazos pivotantes y el mecanismo de seguimiento, todo ello usando medición de distancias, niveles, plomadas, etc. in situ, y realizando operaciones de corte, taladro, soldadura, etc. in situ. Este procedimiento clásico se ha revelado poco operativo por el tiempo consumido y el bajo nivel de precisión obtenido.

Otro aspecto a tener en cuenta es cómo determinar la trayectoria que debe seguir un receptor lineal para seguir la máxima concentración de rayos solares reflejados por una superficie reflectante en la forma de una superficie reglada cóncava parabólica o aproximadamente parabólica cuando el ángulo de incidencia de los rayos solares cambia a medida que cambia la posición relativa del Sol. De hecho, con una superficie reflectante parabólica reglada paralela, los rayos solares reflejados sólo se concentran en un foco lineal, el cual coincide con el foco de la parábola, cuando los rayos solares tienen una incidencia normal, es decir, paralela al eje de la parábola. Cuando los rayos solares inciden formando un ángulo respecto a la normal, la máxima concentración de los rayos se dispersa en el área de un triángulo formado entre los rayos reflejados desde un primer borde extremo, desde un segundo borde extremo opuesto y desde el centro del reflector. El mencionado triángulo incrementa su tamaño a medida que el ángulo de incidencia de los rayos solares se aparta de la normal, es decir, la dispersión de los rayos reflejados es mayor cuanto más oblicuamente inciden los rayos solares sobre el reflector. La tasa de crecimiento del triángulo disminuye cuanto mayor es la distancia del foco al vértice de la parábola en relación con la anchura entre bordes extremos opuestos del reflector.

La patente JP-A-10026423 describe un dispositivo concentrador-captador de energía solar provisto de un reflector cóncavo fijo y un receptor móvil conectado a un mecanismo de seguimiento capaz de mover el receptor móvil a lo largo de una trayectoria que sigue el lugar geométrico de los centros de unos círculos imaginarios inscritos en los mencionados triángulos formados entre los rayos reflejados desde el extremo derecho, desde el extremo izquierdo y desde el centro del reflector a medida que el ángulo de incidencia de los rayos solares cambia. Hay establecidos unos ángulos de incidencia límite a derecha e izquierda de la normal, para los cuales el tamaño del triángulo es máximo. El receptor es de forma cilíndrica y de diámetro igual al del círculo imaginario inscrito en el triángulo de máximo tamaño, lo que asegura que el receptor va a recoger todos los rayos reflejados por el reflector a lo largo de toda su trayectoria.

Un inconveniente de la aproximación que hace la citada patente JP-A-10026423 es que no tiene en cuenta otros factores que permitirían optimizar el rendimiento del dispositivo usando un receptor de menor tamaño, como, por ejemplo, que la energía de los rayos concentrados en el triángulo no es uniforme, siendo más alta en las proximidades del lado del triángulo formado por los rayos reflejados desde el centro del reflector y más baja en las proximidades del vértice opuesto.

Exposición...

1. Dispositivo concentrador-captador de energía solar, del tipo que comprende:

un reflector-concentrador estacionario (1) con una pluralidad de superficies reflectantes cóncavas alargadas, cada una configurada para reflejar rayos solares y concentrarlos en un foco lineal paralelo a una dirección longitudinal, estando dichas superficies reflectantes dispuestas paralelamente las unas al lado de las otras y unidas a una estructura estacionaria (21);

un receptor móvil (2) con una pluralidad de elementos receptores (35) alargados dispuestos paralelamente a la dirección de dichos focos lineales (F) y unidos a una estructura móvil (3); y

un mecanismo de seguimiento (4) conectado a dicha estructura estacionaria (21) y a dicha estructura móvil (3) para soportar y mover la estructura móvil (3) sobre dicho reflector-concentrador estacionario (1) en una trayectoria a propósito para que dichos elementos receptores (35) sigan la máxima confluencia de rayos solares reflejados por las superficies reflectantes a medida que cambia la posición relativa del Sol;

caracterizado porque cada porción de superficie reflectante (8) tiene substancialmente la forma de una superficie reglada de sección transversal substancialmente parabólica con dos bordes laterales (B1, B2), un vértice parabólico (V) centrado entre dichos bordes laterales (B1, B2), un eje parabólico (E) y un foco parabólico (F) coincidente con dicho foco lineal, y el mecanismo de seguimiento (4) está dispuesto para soportar y mover la estructura móvil (3) de tal modo que cada uno de los elementos receptores (35) del receptor móvil (2) describe una trayectoria circular (T) que pasa por dicho foco parabólico (F), y que tiene un centro (C) sobre dicho eje parabólico (E), un punto inferior (P) en la intersección inferior con el eje parabólico (E), y un diámetro (D) ligeramente superior a una distancia (FV) entre el foco parabólico (F) y dicho vértice parabólico (V).

2. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque una relación del diámetro (D) respecto a dicha distancia (FV) está dentro del intervalo 1<D/FV=q1,10.

3. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la relación de una distancia (A) entre los bordes laterales (B1, B2) de cada porción de superficie reflectante (8) respecto al diámetro (D) de la trayectoria circular (T) está en el intervalo de 1:0,9 a 1:2,0.

4. Dispositivo, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque:

el reflector-concentrador estacionario (1) incluye una pluralidad de módulos reflectores-concentradores (5) dispuestos formando una matriz de hileras longitudinales y transversales, comprendiendo cada uno de dichos módulos reflectores-concentradores (5) un armazón (6) al que está fijado al menos un elemento superior (18) portador de al menos una porción de superficie reflectante (8);

la estructura estacionaria (21) está formada por dichos armazones (6) de los módulos reflectores-concentradores (5) y por una pluralidad de perfiles de soporte (13a, 13b, 13c), donde los armazones (6) de los módulos reflectores-concentradores (5) de cada hilera están fijados por extremos o lados opuestos a al menos dos de dichos perfiles de soporte (13a, 13b, 13c); y

dicho mecanismo de seguimiento (4) comprende al menos tres cuerpos base (10) fijados a al menos dos de los perfiles de soporte (13a), y cada uno de dichos cuerpos base (10) soporta giratoriamente al menos un eje de soporte (11) sobre el cual está montado un brazo pivotante (37) conectado a la estructura móvil (3) para guiar los movimientos de la estructura móvil (3).

5. Dispositivo, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho elemento superior (18) portador de dicha porción de superficie reflectante (8) de cada módulo reflector-concentrador (5) está posicionado con precisión en una posición operativa estable predeterminada en relación con el correspondiente armazón (6) y el armazón (6) de cada módulo reflector-concentrador (5) comprende unas primeras configuraciones de posicionamiento de módulo (9) que cooperan con unas segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14) provistas en dichos perfiles de soporte (13a, 13b, 13c) para posicionar cada módulo reflector-concentrador (5) y con él la correspondiente porción de superficie reflectante (8) en una posición operativa predeterminada en relación con los perfiles de soporte (13a, 13b, 13c).

6. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los perfiles de soporte (13a, 13b, 13c) comprenden unos miembros de retención (16) asociados a dichas segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14) y capaces de inmovilizar dichas primeras configuraciones de posicionamiento de módulo (9) respecto a las segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14).

7. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque dichos miembros de retención (16) son capaces de un accionamiento rápido por deformación elástica.

8. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque cada cuerpo base (10) del mecanismo de seguimiento (4) comprende unas primeras configuraciones de posicionamiento de receptor (12) posicionadas con precisión respecto a dicho eje de soporte (11), y los correspondientes perfiles de soporte (13a), o unas piezas auxiliares (7) fijadas a los mismos, comprenden unas segundas configuraciones de posicionamiento de receptor (15) posicionadas con precisión respecto a dichas segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14), cooperando dichas primeras configuraciones de posicionamiento de receptor (12) con dichas segundas configuraciones de posicionamiento de receptor (15) para posicionar cada cuerpo base (10) en una posición operativa predeterminada en relación con el correspondiente perfil de soporte (13a) y con ello asegurar un grado de precisión predeterminado para dicha trayectoria del receptor móvil (2) en relación con dicho reflector-concentrador estacionario (1).

9. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los perfiles de soporte (13a, 13b, 13c) están dispuestos transversalmente a la dirección de dichos focos lineales (F) y los armazones (6) de los módulos reflectores-concentradores (5) de cada hilera transversal están fijados por sus extremos opuestos a dos de dichos perfiles de soporte (13a, 13b, 13c).

10. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la pluralidad de perfiles de soporte (13a, 13b, 13c) comprende al menos dos primeros perfiles de soporte (13a) y al menos un segundo perfil de soporte (13b), cada uno dispuesto entre dos hileras transversales adyacentes de módulos reflectores-concentradores (5), donde cada uno de dichos primeros y segundo perfiles de soporte (13a, 13b) tiene un par de paredes derechas (40) enfrentadas en las que están provistas las correspondientes segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14).

11. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque cada uno de dichos primeros perfiles de soporte (13a) tiene forma de canal abierto superiormente donde dicho par de paredes derechas (40) enfrentadas se extienden desde bordes laterales de una pared de fondo (41).

12. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la pluralidad de perfiles de soporte (13a, 13b, 13c) comprende además dos terceros perfiles de soporte (13c) dispuestos junto a los extremos exteriores de cada una de las hileras transversales extremas de módulos reflectores-concentradores (5), donde cada uno de dichos terceros perfiles de soporte (13c) tiene una pared derecha en la que están formadas las correspondientes segundas configuraciones de posicionamiento de módulo (14).

13. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque cada cuerpo base (10) del mecanismo de seguimiento (4) es una caja de un reductor de engranajes cuyo eje de salida es dicho eje de soporte (11) y cuyo eje de entrada (44) está conectado por unos medios de transmisión de movimiento al eje de salida de un motor de accionamiento (32) montado en el correspondiente primer perfil de soporte (13a).

14. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque al menos dos de los cuerpos base (10) del mecanismo de seguimiento (4) están instalados en un mismo primer perfil de soporte (13a) y sus respectivos ejes de entrada (44) están conectados por respectivos medios de transmisión de movimiento a un único árbol de accionamiento (31) instalado a lo largo del primer perfil de soporte (13a) y acoplado al eje de salida de un único motor de accionamiento (32) montado en el primer perfil de soporte (13a).

15. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque el eje de soporte (11) de cada cuerpo base (10) es paralelo a la dirección longitudinal y está conectado fijamente a un primer extremo de un brazo pivotante (37), el cual tiene un segundo extremo conectado por un pasador de articulación (38) a una correspondiente pata (39) que se extiende inferiormente desde a la estructura móvil (3), actuando la estructura estacionaria (21), dichos brazos pivotantes (37) y la estructura móvil (3), como un paralelogramo articulado para guiar el movimiento de todos los elementos receptores (35) del receptor móvil (2) al unísono respecto a sus respectivas superficies reflectantes a lo largo de una trayectoria circular (T).

16. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque cada brazo pivotante (37) tiene una longitud (L) entre el eje de soporte (11) y dicho pasador de articulación (38) que es igual a una mitad de dicho diámetro (D) de la trayectoria circular (T), y la suma de una primera distancia normal (d1) entre dicho punto inferior (P) de la trayectoria circular (T) y el eje de soporte (11) y una segunda distancia normal (d2) entre el pasador de articulación (38) y una línea central (L) del elemento receptor (35) es igual a dicha mitad del diámetro (D) de la trayectoria circular (T).

17. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque el eje de soporte (11) de cada cuerpo base (10) está desplazado hacia abajo y/o hacia un lado respecto al centro (C) de cualquiera de las trayectorias circulares (T).

18. Dispositivo, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la estructura móvil (3) comprende una pluralidad de perfiles longitudinales (33) y perfiles transversales (34a, 34b) conectados entre sí formando una retícula, y dichos elementos receptores (35) están soportados por sus extremos entre cada dos de dichos perfiles transversales (34a, 34b).

19. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque cada uno de dichos elementos receptores (35) comprende al menos un tubo receptor (36) para un fluido caloportador, con un extremo de entrada (36a) y un extremo de salida (36b) conectados y comunicados con un circuito para dicho fluido caloportador.

20. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque al menos uno de dichos perfiles transversales (34a) de la estructura móvil (3) es un perfil de sección transversal cerrada que forma un conducto de alimentación (63a) o un conducto de retorno (63b) de dicho circuito para el fluido caloportador, y al menos uno de dichos extremos de entrada y salida (36a, 36b) de cada tubo receptor (36) está conectado y comunicado con un respectivo conducto de dichos conductos de alimentación y retorno (63a, 63b) formado por el perfil transversal (34a).

21. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado porque el tubo receptor (36) de cada elemento receptor (35) está doblado de manera que sus extremos de entrada y salida (36a, 36b) están en un mismo extremo del elemento receptor (35), y los conductos de alimentación y retorno (63a, 63b) están formados por un único perfil transversal (34a) de la estructura móvil (3) o por dos perfiles transversales situados uno junto al otro.

22. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el elemento superior (18), que es al menos uno, de cada módulo reflector-concentrador (5) es una chapa superior metálica arqueada que tiene una superficie exterior pulida para formar la porción de superficie reflectante (8), que es al menos una.

23. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque cada módulo reflector-concentrador (5) comprende además una chapa inferior (20) y un material de relleno (77) dispuesto entre el elemento superior (18) y la chapa inferior (20), estando dicho material de relleno (77) adherido al elemento superior (18), a la chapa inferior (20) y al armazón (6).

24. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque cada uno de los elementos receptores (35) está soportado giratoriamente por sus extremos de manera que puede girar respecto a un eje longitudinal, y varios elementos receptores (35) están conectados por unos medios de transmisión de movimiento a una polea conductora (40) centrada en el pasador de articulación (38) y unida fijamente al brazo pivotante (37), siendo la relación de transmisión tal que la velocidad de giro de los elementos receptores (35) es la mitad que la velocidad de giro del brazo pivotante (37).

25. Dispositivo, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las porciones de superficie reflectante (8) están situadas a un nivel superior respecto a unos bordes superiores de dichos perfiles de soporte (13a, 13b, 13c), y un dispositivo automático de limpieza está configurado y dispuesto para desplazar unos elementos de limpieza a lo largo de la dirección longitudinal de las superficies reflectantes en cooperación con un líquido de limpieza.