Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados con tubo absorbedor fijo que hacen coincidir el centro de gravedad del conjunto giratorio del colector con su eje de giro,

tanto en el global del colector como en cada tramo longitudinal que quepa identificar en el mismo; coincidiendo además el eje de giro con el eje imaginario del tubo absorbedor de radiación, que se mantiene fijo

Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados con tubo absorbedor fijo.

Campo de la invención

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 encuentran 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. Dichos colectores se conectan entre sí tanto en serie como en paralelo, por lo que respecta a la circulación del fluido, para conformar lo que se denomina campo solar, donde se emplazan estos colectores para aprovechamiento de la radiación del sol.

Este es uno de los procedimientos que hoy día ya se instalan para conseguir altas temperaturas en un fluido calorífero, a partir de la radiación solar, y se basa en el uso de estos colectores cilindro-parabólicos que montan, en su eje focal parabólico, un tubo coaxial, o casi coaxial, con dicho eje focal del cilindro parabólico. Tal es el caso de la central solar térmica SEGS de California (www.fplenergy.com/portfolio/contents/segs_viii.shtml) y de varios montajes existentes en la Plataforma Solar de Almería (www.psa.es) así como en centrales en construcción en España (Andasol, www.flagsol.com/andasol).

Estado de la técnica

Actualmente existen varios Colectores Cilindro-parabólicos (CCP) comercializados, que son los usados en las plantas y plataformas que se están construyendo, y entre los cuales se pueden citar, por ser marcas muy recientes, los CCP SKAL-Eurotrough y SENERTROUGH.

Estos colectores 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 1 ó 2 metros según el tamaño de los colectores, que vienen a tener una apertura óptica de unos 6 metros, entre los extremos de la parábola que conforma su sección recta.

En estos colectores, el tubo por el que circula el fluido calorífero está solidariamente unido al cuerpo cilindro-parabólico del colector, pues ha de estar siempre en su eje focal. Ello 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 de aproximadamente 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 cénit. En todo caso, el colector ha de girar notoriamente cada día, y por ende hay el mismo problema que en el caso anterior, pues el tubo 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. Esa instalación podrá ser una caldera o generador de vapor, y su turbina correspondiente, o la turbina directamente si el fluido es un vapor o un gas a alta presión.

El antedicho movimiento 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, o con los tubos fijos de la red de colectores y distribuidores del fluido calorífero. Ello se hace actualmente mediante un tubo radial, que va de la línea del eje de sujeción (que es el fijo) 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, generalmente a través de una red de tubos fijos, pues en una central hay habitualmente una batería de colectores en serie y paralelo, y se precisa de esa red de tubos para interconexión entre ellos y con la instalación de conversión de energía.

Ello quiere decir que en una central solar térmica de colectores cilindro-parabólicos hay decenas de juntas rotativas. Éstas suelen dar buenas prestaciones cuando la presión es baja y la temperatura moderadamente alta. Cuando la presión y/o la temperatura suben, por ser beneficioso para el rendimiento general de la central, las juntas rotativas no son tan fiables, y se pierde estanqueidad, dándose o 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. En todo caso, incluso si se trata de un fluido inerte, lo que queda claro es que la planta deja de funcionar en sus condiciones nominales, por pérdida de presión y de caudal, y las repercusiones económicas negativas pueden llegar a ser insoportables.

Ello evidencia una notable carencia en el estado del arte, y resulta procedente encontrar un montaje en el cual el tubo del fluido calorífero esté fijo, y a su vez esté siempre en el eje focal. Así no habría necesidad de juntas rotativas. Todas las uniones entre tubos podrían ser fijas y soldadas, con la enorme garantía que da este tipo de uniones para preservar la estanqueidad, incluso a alta presión y alta temperatura, como es en las centrales nucleares, centrales de combustión de gas natural, o refinerías de petróleo.

Antecedentes de la invención

Para superar el problema evidenciado, y disponer de colectores cilindro-parabólicos sin juntas rotativas en las uniones de sus extremos, se ha presentado recientemente la solicitud de patente P200800440, "Colectores cilindro-parabólicos de energía solar térmica con tubo absorbedor fijo", que se basa en una doble reflexión concentradora de la radiación solar.

A su vez, como antecedentes incompletos de esa solicitud, con propuestas mecánicas distintas, aunque con configuraciones ópticas comunes a la geometría parabólica general, se encuentran las patentes United State Patent 4038972 de 1977 "Solar energy collector apparatus" y la patente W097/13104 de 1977 "Concentrating optical system and concentrated light utilizing apparatus".

Los antecedentes antedichos tienen un grave problema para ser aplicables con las mejores prestaciones, y es que el centro de gravedad del conjunto rotativo del espejo y su armazón, no coincide con el eje de giro (a su vez eje focal) por lo cual el sistema trabajará en general con fuertes solicitaciones mecánicas, que dificultarán además notablemente el enfoque óptico del conjunto. En ninguno de los documentos citados se aborda este problema, que sin embargo es crucial para unas buenas prestaciones del colector concentrador.

El problema a resolver es, pues, hacer coincidir, para cada montaje, el centro de gravedad de la parte giratoria con el centro de giro, en cada sección (o en cada porción longitudinal del colector, que sea asimilable a una distribución de pesos longitudinalmente uniforme).

Explicación de la invención

La invención consiste en equilibrar las masas del colector para que el centro de gravedad de la parte móvil rotatoria coincida con el eje de giro, que a su vez coincide con el eje imaginario del tubo absorbedor fijo.

Para materializar la invención hace falta por tanto analizar la ubicación del centro de gravedad de la parte móvil del colector, para lo cual hay que comenzar señalando que una fracción de la parte móvil tendrá su masa distribuida según la propia parábola que configura la sección recta del espejo o espejos, así como las cuadernas (de forma parabólica), y otra parte estará compuesta de componentes geométricamente...

1. Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados, con tubo absorbedor fijo, con montaje basado en concentración de la radiación solar por doble reflexión en espejos cilindro-parabólicos contrapuestos, 14 y 16, que se mueven solidariamente, girando con todo su armazón alrededor de un eje de giro que coincide con el eje imaginario del tubo fijo absorbedor de radiación, 12, efectuándose el giro de la parte rotatoria del colector mediante la actuación de un tornillo sinfín, 22, sobre el engranaje de la cara exterior de una parte de la carcasa, 20, sobre la que se asienta el armazón, 19, del espejo cilindro- parabólico primario, que a su vez sustenta al espejo secundario a través de los tirantes 18, estando a su vez soportada toda la parte rotatoria del colector en unos pilares ubicados en sus extremos longitudinales, y no así el tubo fijo, que se soporta en un conjunto de pies derechos, 21, caracterizados tales colectores por que al armazón 19 se le cuelgan unos tirantes 49, de los que penden unos contrapesos, 50, de forma longitudinal paralela al eje de giro, y pasando éstos tirantes y estos contrapesos a formar parte de la parte rotatoria del colector, pues quedan unidos solidaria y rígidamente a su armazón, 19.

2. Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados, con tubo absorbedor fijo, según reivindicación primera, caracterizados por que tales tirantes 49 y contrapesos 50 se fijan al armazón de tal forma que el centro de gravedad de la parte rotatoria del colector se asienta sobre el eje de giro, e igualmente se asientan en dicho eje los centros de gravedad de los tramos longitudinales que quepa identificar en dicha parte rotatoria, habiéndose de cumplir el procedimiento de equilibrado, definido por la condición

siendo m_i las masas individuales o discretizadas que puedan distinguirse en la parte rotatoria del colector, o en cada uno de sus tramos identificativos, y overline{r_i} el vector de posición radial de las masas m_i respecto del eje de giro, que a su vez es el eje imaginario del tubo fijo, por propiedad geométrica de su montaje.

3. Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados, con tubo absorbedor fijo, según reivindicaciones anteriores, caracterizados por que el armazón 19 de sustentación de los espejos primario y secundario, incorpora solidariamente los tirantes 49 y contrapesos, 50, quedando todo suspendido merced a que el armazón 19 se asienta a su vez solidaria y rígidamente con la carcasa 20, a su vez solidaria con la pieza tubular 53 que se asienta sobre los cojinetes 54 que se alojan en los ojales de los pilares 53 que en definitiva soportan toda la parte rotatoria del colector, y no así el tubo fijo 12 absorbedor de la radiación solar, que está zunchado por los aros 51 que lo asientan en los pies derechos 21, quedando el tubo fijo coaxial con la pieza tubular giratoria 53, por cuyo interior pasa sin rozar.

4. Colectores solares cilindro-parabólicos equilibrados, con tubo absorbedor fijo, según reivindicaciones anteriores, caracterizados por que los contrapesos longitudinales 50, con sus tirantes 49, se fijan al armazón 19 de manera no continuada, sino dejando huelgos en las partes que coinciden con los pies derechos 21 que soportan al tubo fijo, teniendo esos huelgos de separación entre contrapesos 50 consecutivos, una anchura igual a la anchura de los pies derechos 21, más un centímetro por cada lado, como tolerancia para evitar roces o choques de los contrapesos con los pies derechos 21, e igualmente con los pilares soporte, 55, de los extremos del colector, y con los soportes 56 de los tornillos sinfín 22 que se engranan a las caras dentadas 57 de las carcasas 20 solidarias al armazón 19.