Colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformada,

constituido por dos ramas parabólicas, en cada lado, en el espejo primario, con mayor distancia focal en la rama exterior, siendo los rayos concentrados por cada rama del primario vueltos a reflejar por sendos espejos cofocales con cada rama; incidiendo los rayos doblemente reflejados por las ramas interiores, sobre el tubo absorbedor situado en las proximidades del ápice virtual de la parábola primada interior; y moviéndose los rayos reflejados sucesivamente por las ramas exteriores en trayectorias paralelas al eje de simetría, no incidentes sobre el tubo, del que pasan de largo, para ser reflejados por un par de espejos simétricos, a cada lado, que los proyectan sobre la cara inferior del tubo, con lo que queda iluminada toda su superficie

Colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformizada.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de la energía solar térmica, particularmente la que utiliza concentración de la radiación originaria para alcanzar alta temperatura en el bien útil, que generalmente se materializa en un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un ciclo termodinámico. Dentro de este campo se encuadra en los colectores cilindro-parabólicos, que concentran la radiación solar en un eje focal longitudinal en el cual se ubica un tubo absorbedor, por dentro del cual circula el fluido calorífero.

El tubo absorbedor está rodeado de una cubierta, así mismo cilíndrica, de vidrio o material resistente y transparente, que sirve para mantener vacío entre ambos tubos, con objeto de reducir las pérdidas por convección, y evitar la agresión del aire sobre la pintura o adhesivo de alta absortividad y baja emisividad que recubre el tubo absorbedor.

Antecedentes de la invención

Actualmente existen varios Colectores Cilindro-parabólicos (CCP) comercializados, (www.fplenergy.com/portfolio/contents/segs_viii.shtml) y (www.flaqsol.com/andasol) que son los usados en las plantas y plataformas que se están construyendo, y tienen en común que han de girar sobre su eje de sujeción, que habitualmente coincide, o casi, con el ápice de la parábola (en cada sección recta) por lo que es una línea paralela al eje focal, situada a una distancia de unos 2 metros según el tamaño de los colectores, que vienen a tener una apertura óptica de unos 6 metros.

El antedicho 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, fija en tierra. 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 un extremo 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. Ello quiere decir que en una central solar térmica de colectores cilindro-parabólicos hay decenas de juntas rotativas, que son un elemento débil del sistema, pudiéndose dar fugas del fluido calorífero, lo cual no es sólo malo económicamente para la instalación en sí, sino que además puede tener repercusiones medioambientales y de seguridad.

Para superar este problema planteado por las juntas rotativas, se ha propuesto recientemente un tipo de colector cilindro-parabólico con tubo fijo respecto de tierra, sin juntas rotativas en las uniones de sus extremos, con doble reflexión co-focal, lo cual se ha materializado en la solicitud de patente española P200800440, "Colectores cilindro-parabólicos de energía solar térmica con tubo absorbedor fijo".

Sin embargo, tanto en los casos de colectores convencionales de tubo móvil con juntas rotativas, como en los colectores de tubo fijo, se produce la característica de que la radiación solar concentrada incide sobre el tubo absorbedor por sólo una parte de su superficie, que en general no llega a cubrir 180º (grados sexagesimales) de los 360º que ocupa el perímetro circunferencial del tubo. Ello hace que la energía depositada por la radiación, por unidad de superficie del tubo, presente grandes variaciones, siendo muy alta en algo menos de la mitad de la superficie, y siendo nula en la cara no iluminada por la radiación (que podríamos denominar cara en sombra).

Esta enorme asimetría azimutal en la distribución de la deposición de calor en la superficie del tubo provoca gradientes circunferenciales de temperatura muy elevados, incluso en el caso de tener el material del tubo buena conductividad de calor, con la consiguiente problemática de tensiones mecánicas inducidas por diferencias térmicas, lo cual puede producir importantes deformaciones plásticas en el tubo, llegando eventualmente a la fluencia de éste, contactando con la envoltura exterior de cristal, en la cual se produciría un calentamiento y sobrepresión local en la zona de contacto, que acarrearía su rotura.

Para eliminar este peligro de rotura del tubo absorbedor o de su cubierta de vidrio, se ha propuesto recientemente, para colectores de reflexión simple, la solicitud de patente de este mismo solicitante, P200900854 proponiendo una configuración que uniformiza, al menos en valores medios, la radiación incidente sobre las dos caras del tubo, la iluminada y la que quedaba originalmente en sombra. Pero tal geometría óptica sólo es aplicable a aparatos CCP de reflexión simple, y no a los de reflexión doble co-focal, de gran interés para construir CCP con tubo absorbedor fijo, sin juntas rotativas, y equilibrados en masa.

En esta solicitud se presenta una nueva configuración de CCP de doble reflexión, en la que se consigue conjuntar todos esos objetivos técnicos.

Descripción de la invención

La invención consiste en configurar el espejo primario del colector, donde incide la radiación solar directa, con dos ramas parabólicas por cada lado, una a continuación de otra, teniendo la segunda rama, más externa, una distancia focal mayor que la primera o interior, aunque quedando ese segundo foco en el mismo eje de simetría que el del foco de la primera parábola, aunque más alejado del ápice (punto extremo) de ésta, por ser mayor su distancia focal. Esta disposición de los focos evita la interferencia, tipo lente óptica, que produce la cubierta exterior cilíndrica de cristal, o tubo de cristal, concéntrico al tubo absorbedor, cuando se reflecta, en el espejo secundario, la radiación hacia el tubo.

Esta doble rama parabólica por cada lado del eje de simetría, hace que se formen dos familias de rayos solares, siendo la primera la que incide y se refleja sobre la rama interior, y la segunda la que incide y se refleja en la rama exterior.

La invención consiste además en disponer un segundo espejo parabólico, o espejo secundario, que se estructura también en dos ramas, cada una de ellas con el mismo foco (co-focal) que la rama correspondiente, interior y exterior, del primer espejo. La anchura del espejo co-focal interior, por cada lado, se determina porque su rayo reflejado final más exterior es tangente al tubo absorbedor por su lado correspondiente. Al ser co-focal la rama interior respecto de la parábola del espejo primario interior, sus rayos reflejados finales son paralelos al eje de simetría. Y la rama exterior del espejo co-focal, que refleja por cada lado los rayos de la segunda familia, tiene su punto extremo interior en el punto que es reflexión en la trayectoria del rayo que, tras la segunda reflexión, es tangente al tubo transparente. Los rayos exteriores a ése, conforman la segunda familia de rayos, siendo la apertura o anchura de esa rama parabólica un parámetro libre, a fijar según la aplicación concreta, con las prescripciones dadas en esta invención. Y para la última reflexión de esa segunda familia de rayos, se dispone de un tercer espejo, o espejo terciario, por cada lado, que hace incidir esa radiación sobre la superficie del tubo donde no ha incidido la radiación de la primera familia. La ubicación de este espejo también se prescribe unívocamente en los modos de realización de la invención.

Con esta configuración, todo el perímetro circunferencial del tubo absorbedor recibe radiación; y aunque ésta no alcance valores exactamente uniformes en todas partes, la distribución queda muy uniformizada, evitándose que quede una cara fuertemente iluminada, y la opuesta con iluminación nula.

Para exponer convenientemente las prescripciones geométricas antedichas, es preciso tener en cuenta propiedades geométricas básicas de las parábolas, más un principio fundamental de la reflexión, y es que el rayo reflejado por una superficie, forma un ángulo plano con el rayo incidente, siendo la bisectriz de dicho ángulo la recta normal a la superficie de reflexión. Como en nuestro caso las superficies de reflexión serán superficies longitudinales de sección recta invariante, el estudio de la reflexión pasa a ser simplemente bidimensional, y por tanto expresable en un plano, aún cuando los rayos, incidente y por tanto reflejado, puedan tener una...

1. Procedimiento de cálculo de un colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformizada, en el que la radiación solar directa es reflejada por un espejo cilíndrico de perfil parabólico, y en la que la radiación concentrada hacia su foco se refleja de nuevo en un espejo co-focal secundario, en sentido opuesto al que llevaba tras la primera reflexión, y en dirección paralela al eje de simetría, por tener el segundo espejo el mismo foco que el primero, de tal modo que la radiación doblemente reflejada incide sobre el tubo absorbedor, que en este caso está fijo a tierra, y no rota como el conjunto óptico de los espejos co-focales, que para su colimación al sol, giran alrededor de un eje de giro que coincide con el eje central del tubo absorbedor, estando el conjunto óptico y su estructura soportados por una gruesa abrazadera en U, que es solidaria a un cilindro hueco que descansa sobre un cojinete embebido en un pilar, habiendo en cada extremo longitudinal del colector uno de estos pilares, y habiendo en los extremos de los módulos de tubo, y de su cubierta cilíndrica transparente, unos tirantes que soportan a la distancia correcta el espejo secundario co-focal sobre el primero, caracterizado por que

el espejo primario se divide en dos ramas parabólicas consecutivas por cada lado, siendo la primera o más interna, 107, la que tiene menor distancia focal de las dos, y cuyo ápice virtual se usa como origen de coordenadas, pues el ápice real no existe físicamente, pues la zona alrededor del ápice virtual está ocupada por el tubo absorbedor 82 y su cubierta cilíndrica transparente, 122, que están fijos y no interfieren con el movimiento de giro del sistema óptico, que en el espejo primario cuenta con la antedicha rama interior 107, y la rama exterior 108, cuyo foco 114 , con ordenada Y114, está en el eje de simetría de la parábola interior, pero por encima del foco 113 , con ordenada Y113, de ésta, conformando los rayos reflejados por la rama interior 107 la primera familia de rayos, que antes de llegar a su foco 113 son reflejados por un espejo 115 convexo hacia abajo, cuyo foco es así mismo el foco 113, por lo que los rayos salen dirigidos hacia la cara superior del tubo fijo 82, donde son absorbidos; habiendo una segunda familia de rayos, que es la reflejada inicialmente por la rama 108, que se concentra hacia su foco 114, aunque antes de llegar a él encuentra el espejo 116, co-focal con el 108, convexo hacia abajo, que refleja los rayos en dirección paralela al eje de simetría, en trayectorias que no inciden directamente sobre el tubo 82, sino que pasan de largo, justo más allá de la cubierta transparente, hasta encontrar un espejo adicional, 102 en el lado derecho, existiendo correspondencia recíproca en el lado izquierdo, donde está el espejo 103, reflejándose en ambos las ramas correspondientes de la segunda familia de rayos, que tras esa reflexión adicional impactan en el tubo 82 por su cara inferior, entendiendo la orientación de arriba-abajo y superior-inferior respecto del sistema de coordenadas del colector que tiene su origen en el ápice de la parábola 107 del espejo primario interior, no respecto de la gravedad terrestre, quedando así iluminada toda la superficie del tubo, y no sólo la cara superior, para lo cual la invención incluye una serie de prescripciones geométricas que se detallan a continuación usando el sistema de referencia cartesiano que se ha explicado, que es solidario al conjunto óptico y toda su estructura, de modo que en el giro para apuntar el eje de simetría al sol, no hay variaciones de sus posiciones relativas, y sí las hay materialmente respecto del tubo fijo 82 y su cubierta, pero no son geométricamente significativas para el tubo, pues el centro de giro coincide con el centro 81 del tubo, ubicándose los espejos co-focales según las prescripciones siguientes, que para el espejo 115 parten de su punto más exterior, 123, cuya abscisa es X123, y se ubica en el corte de las rectas de los rayos 118 y 124, definiéndose X123 por ser igual al radio del tubo 82, R

siendo la ecuación del espejo 115:

donde su parámetro c vale:

con

siendo X110 e Y110 las coordenadas del punto 110, que es el extremo exterior de la rama parabólica interior 107 del espejo primario, y determinándose el punto interior del espejo 115 automáticamente por la intersección de la ecuación (13) de la parábola con la recta que une el punto 109 más interior del espejo primario interno, con su foco 113; aunque la prescripción se completa constructivamente porque el cuerpo de ese espejo se puede hacer todo seguido hasta el eje de simetría, más su rama izquierda simétrica, por cuestiones de consistencia mecánica; y usando para definir el espejo 116 prescripciones basadas en la especificación de que la anchura en abscisas de este espejo se determina por la abscisa del punto 132, que es el extremo exterior de ese espejo, y que llamamos X132, siendo su valor

donde la ecuación de la parábola del espejo 116 es

y su parámetro d vale:

con

siendo X112 e Y112 las coordenadas del punto 112, que es el extremo exterior de la rama parabólica exterior 108 del espejo primario; y a su vez el punto interior del espejo 116 se determina por ser el de la parábola dada por la ecuación (17) para la abscisa del punto 129, que es

pero el espejo se prolonga hasta el eje de simetría, por consistencia mecánica del conjunto, incluyendo en este conjunto las aletas de refrigeración 138 longitudinales y transversales en la parte superior del conjunto de ambos espejos 115 y 116; completándose la invención con la disposición del espejo adicional 102, y su simétrico 103, cuyas prescripciones de ubicación y perfil parten de definir la forma parabólica del espejo 102 como

y su pendiente

cuyos coeficientes se determinan con las prescripciones que subsiguen, comenzando por fijar la ordenada, Y134, del punto 134, que es el más exterior del espejo 102, sobre la recta 133, pues la abscisa X134 está fijada por

siendo M135 la pendiente del rayo 135 que va desde 134 al punto 125, que es el de mayor abscisa de la superficie del tubo absorbedor, 82, el valor dado por

y la pendiente del espejo 102 en el punto 134, Y'134, es

disponiéndose de las ecuaciones

con los valores X134, Y134 e Y'134 dichos anteriormente, por lo que se tiene

que se completan con la prescripción adicional, de carácter autoconsistente, por la que el rayo 136 que se refleja en el punto 129 del espejo 102, incide en el punto 130 del tubo 82, que es el punto de ordenada menor en la superficie del tubo, lo cual ha de ser consistente con la función de la parábola 102 y con su primera derivada, que es tal que su perpendicular es la bisectriz de ángulo formado entre el rayo 128, incidente en el punto 129, que es el más interior del espejo 102, y el rayo reflejado desde 129, que es el 136, que impacta en el tubo en el punto 130, siendo la pendiente en 129 la siguiente

o equivalentemente, para la aplicación de la prescripción

y la prescripción se resuelve algebraicamente mediante una iteración que parte de un valor tentativo de Y'129, que es

que corresponde a espejo plano, esto es F2=0, que es lo que da la ecuación (31) para ese valor, y por lo que se determina que

usándose estos valores de Y129 e Y'129 en el cálculo de la ordenada donde corta la recta del rayo 136 al eje de ordenadas, dando la iteración por concluida si esa ordenada coincide, dentro de las tolerancias de la radiación solar, con la ordenada del punto 130; lo cual se calcula a partir de la pendiente del rayo 136, que es M136,

teniendo el rayo 136 la ecuación

que corta al eje de ordenadas en la ordenada Y0136, que corresponde a

y si Y0136 coincide con Y130 dentro de las tolerancias, dicho punto 129 es el válido, y válida es la ecuación (21) del espejo 102 con los coeficientes F2, F1 y F0 que se están utilizando; y, en el caso general de no coincidir, se define una figura de mérito o aproximación, que es

procediendo a un nuevo cálculo de la iteración según la instrucción siguiente, que depende de si el valor de FA₁ es positivo o negativo, de tal modo que si es positivo, se toma un nuevo valor de la pendiente Y'129 que sea un 10% mayor que la anterior, y con este nuevo valor Y'129₁ se recalcula F2 mediante la ecuación (31) el cual se identifica como F2₁ en la nomenclatura seguida, y que corresponde a

lo que a su vez da un nuevo punto 129, cuya ordenada es, en función de la abscisa X129, siempre fija por ser la del rayo 128,

lo que permite, mediante el uso de las ecuaciones (34) a (36), calcular la nueva ordenada en el origen de la recta 136, que identificamos como Y0136₁, y con la cual se calcula el nuevo valor de la figura de mérito o aproximación

y si sigue siendo FA₂ positiva, se vuelve a incrementar el valor de Y'129, de tal manera que en la iteración n-sima vale

y el resultado de la iteración n-sima será

continuando el barrido de la iteración hasta que el resultado FA_n+1 sale negativo, en cuyo caso se interpola linealmente entre el valor de Y'129_n e Y'129_n-1, para dar un resultado nulo de FA, siendo el valor interpolado de Y'129 el que cumple la prescripción del espejo, y a partir del cual quedan determinados los valores de F2, F1 y F0 que expresan su posición y perfil;

y efectuándose el barrido en sentido contrario, es decir, disminuyendo progresivamente Y'129, si el valor de FA₁ es negativo, aplicando a la iteración n-sima el valor de

continuando el barrido de la iteración hasta que el resultado FA_n+1 sale positivo, en cuyo caso se interpola linealmente entre el valor de Y'129_n e Y'129_n-1, para dar un resultado nulo de FA, siendo el valor interpolado de Y'129 el que cumple la prescripción del espejo, y a partir del cual quedan determinados los valores de F2, F1 y F0 que expresan su posición y perfil;

situándose el espejo 103 simétricamente al 102; estando cada uno de los espejos aposentado solidariamente con la cara interior de la abrazadera 80, mediante un pie de sujeción 104 para cada espejo, y teniendo los espejos unas aletas de refrigeración 137 por su cara opuesta a la reflectiva, siendo la estructura óptica del colector, que incluye, por el lado derecho, a los espejos primarios (107 y 108) secundarios (115 y 116) y terciario (102), y a sus simétricos, solidaria entre sí y solidaria a la viga-abrazadera 80, girando todo ello alrededor del eje del tubo absorbedor 82, que está fijo respecto de tierra.

2. Colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformizada, calculado según el procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque el espejo adicional 102 se ubica como espejo plano con una inclinación de 45º sexagesimales, y por tanto con una pendiente igual a 1, estando su punto extremo superior-exterior 134 en la línea de abscisas marcada por el rayo 133 y en la ordenada del punto 125, que es el de mayor abscisa de la superficie del tubo 82; y teniendo el espejo 102 su punto extremo interior-inferior 129 en la línea de abscisas marcada por el rayo 128, desde la cual hay una distancia en abscisas, hasta el rayo 133, igual al radio R del tubo 82, y siendo la ordenada del punto 129 igual a la ordenada del punto 130, el de más baja ordenada en la superficie del tubo 82; y emplazándose el espejo 103 simétricamente al 102.

3. Colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformizada, calculado según el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la iluminación sobre el tubo se uniformiza con una sola parábola en el espejo primario, con las dos ramas puestas una a continuación de la otra con la misma distancia focal, por lo cual el espejo co-focal 90 es así mismo de una sola parábola con el mismo foco 88, y con una semi-anchura de ese espejo 90, por cada lado, en abscisas, mayor que el radio del tubo 82, incidiendo en éste, directamente, la parte central de la radiación reflejada por el espejo 90, que es paralela al eje de simetría 4, comprendida entre los rayos 91 y 93, que son tangentes a la superficie del tubo 82 por izquierda y derecha, e incidiendo la radiación exterior al rayo 93 sobre el espejo 102, que refleja dicha radiación externa al rayo 93, sobre la cara inferior del tubo 82; ocurriendo lo simétrico con el espejo 103 por el lado izquierdo.

4. Colector solar cilindro-parabólico con doble reflexión uniformizada, calculado según el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la zona de soldadura entre módulos consecutivos de tubo absorbedor 82 se recubre con un aislante térmico, 139, alrededor del cual se dispone un cojinete cilíndrico de rodamientos, 140, cuya cara externa, 141, va fija a un báculo 142 con dos patas transversales 143 que asientan, a través de sus pies de forma cilíndrica longitudinal, 144, en sendos rieles longitudinales, 145, fijos en la viga-abrazadera 80.