Colimador solar para enfoque de un colector cilindro-parabólico y procedimiento para orientar un colector cilindro-parabólico.

Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico y procedimiento para orientar un colector (1) cilindro parabólico. El colimador asegura una precisión de enfoque del colector (1) hacia el sol determinada. El colimador tiene fotodiodos (4, 12, 6, 13,8, 15) dispuestos en una regleta (5) paralela al eje focal (2): un fotodiodo de anverso (4, 12) está colocado en una cara iluminada por el sol; un fotodiodo de reverso (8, 15) está colocado en una cara no iluminada por el sol; un fotodiodo encapsulado (6, 13) está colocado en una cara iluminada por el sol dentro de un receptáculo (7, 14). El procedimiento para orientar un colector (1) cilindro-parabólico verifica experimentalmente que la radiación solar recibida en el colector (1) cilindro-parabólico llega en dirección apropiada

Colimador solar para enfoque de un colector cilindro-parabólico y procedimiento para orientar un colector cilindro-parabólico.

Campo de la invención

La invención se encuadra en los aparatos de concentración de luz solar por medio de espejos cilindro-parabólicos. En la línea focal de estos espejos se ubica un tubo absorbedor de energía solar, en el caso de las aplicaciones térmicas, o una banda de células fotovoltaicas, en el caso de producción directa de electricidad, por efecto fotovoltaico.

En todo caso, e independientemente del dispositivo de conversión o captación de energía que se ubique en la línea focal, lo que resulta crítico para efectuar la concentración de la luz solar es que el espejo cilindro-parabólico esté bien enfocado al sol, lo cual significa que el sol (como punto imaginario, aunque su anchura visual no es puntual, sino de medio grado sexagesimal) esté en el plano imaginario constituido por extensión hacia el infinito del plano longitudinal de simetría del espejo, que a su vez contiene al eje focal.

Antecedentes de la invención

Los colectores cilindro-parabólicos se montan típicamente en la línea del meridiano, o configuración norte-sur (N-S) en la cual el eje focal coincide con el meridiano local. El colector gira en este caso desde su apertura óptica al Este, a la apertura hacia el Oeste, según avanza el día. Al pasar el sol por el mediodía local, estará en el sur (S) en las localizaciones del hemisferio Norte, y en el norte (N) en las del Sur.

Para enfocar los colectores basta tener un reloj local bien calibrado, para lo cual podría servir un reloj de sol bien graduado, pues su sombra marcaría el azimut local del sol, que serviría para enfocar los colectores. El enfoque se daría cuando el plano formado por la aguja vertical del reloj de sol y su sombra, coincidiera con el plano de simetría del colector. Esta coincidencia geométrica no es fácil de precisar por métodos científicos, aunque sirve para una colimación grosera hecha a ojo.

En el caso de usar relojes mecánicos o electrónicos, en función de la fecha dentro del año, cabe tener tablas que indican la posición del sol, y por tanto la orientación que hay que dar a los colectores (es decir, la inclinación de su plano de simetría).

Además del montaje anterior (y en función, por ejemplo, de la orografía del terreno y las bancadas horizontales que queda realizar) los colectores pueden disponerse en sentido del paralelo, de tal manera que la línea focal vaya de este a oeste (E-W). En este caso, la inclinación de los colectores no va, como en el montaje N-S, desde 90 grados sexagesimales hacia el Este, hasta 90 grados hacia el Oeste, sino desde la horizontal hacia el sur hasta la vertical o una pequeña caída hacia el norte. Esta última sólo se requiere hacia el final de la primavera y principio del verano (en el hemisferio Norte) y para las horas de poco después del amanecer a poco antes del atardecer, pero son horas de muy baja iluminación solar directa (por la atenuación atmosférica) por lo que puede decirse que en los montajes E-W, la inclinación del plano de simetría oscila, para el enfoque al sol, entre la horizontal hacia el sur y la vertical. En este caso, la variable de posición solar que sirve para efectuar el enfoque es la altura astronómica (elevación del Sol desde el horizonte local) lo cual también cabe determinarlo con un reloj acompasado al tiempo del emplazamiento.

Como antecedente especialmente relevante hay que señalar US 4,297,572, que usa así mismo fotodiodos dispuestos en una regleta dentro de un receptáculo, pero éste tiene características sustancialmente distintas en su caso, pues no usa la anchura y longitud radial del receptáculo como dimensiones esenciales para verificar la colimación del colector al sol, sino que su receptáculo es de gran apertura (de 60º sexagesimales, como puede verse en su figura 12) y la posición del sol, y la del colector respecto a él, se realiza geométricamente por medio de dos ranuras superiores por donde puede entrar la radiación solar (según se desprende de sus reivindicaciones y se muestra significativamente en la figura 13) aunque adicionalmente se realiza un tratamiento electrónico de las diversas señales fotovoltaicas generadas en la pluralidad de fotodiodos que aloja en su receptáculo.

Descripción de la invención

Como introducción a la descripción de la invención, se plantea el problema técnico a resolver.

En principio, la precisión actual de los datos astronómicos es tal que el enfoque basado en las coordenadas del emplazamiento y la hora diaria y el calendario, son suficientes para efectuar el enfoque. Sin embargo, de haber errores de cualquier tipo, que estén produciendo un enfoque no perfecto de un colector, la deficiencia no se observa directamente. En algunos casos puede inferirse que hay dicha deficiencia porque la energía obtenida sea menor que la esperada, o porque la energía absorbida en un colector sea inferior a la de colectores vecinos.

La invención aquí propuesta pretende resolver el problema de saber si un colector está en su posición óptima de enfoque, o podría obtener aún mejor captación de energía, enfocando mejor. De esa manera, aunque el enfoque primario se realizara por métodos cronológico-astronómicos, se podría certificar la buena precisión de dicho enfoque, o mejorarlo si cabe, mediante una medida experimental in-situ.

La invención se basa en determinar experimentalmente la intensidad de la radiación solar directa, medida en vatios por metro cuadrado (W/m²) y comprobar que ésta es exactamente la que incide sobre el colector cilindro-parabólico en paralelo al plano de simetría, pues entonces la radiación reflejada por el espejo cilindro-parabólico se concentrará sobre el eje focal.

Para medir la radiación solar se usará un número de fotodiodos calibrados, de iguales medidas y prestaciones, en los diversos lugares del montaje que constituye la invención, haciendo falta tres fotodiodos como mínimo, aunque para evitar interferencias de sombras, en el montaje general se usan cinco.

Los fotodiodos van montados en una bandeja longitudinal o regleta situada no necesariamente sobre el eje focal, aunque en disposición paralela al mismo. Además, el plano de la regleta debe ser perpendicular al plano de simetría del colector. Uno de los fotodiodos no lleva interferencia ni sombreado ninguno, por lo que recibe toda la luz solar, tanto directa como difusa. Otro se coloca en sombra, para que el sol no le dé directamente, por lo que sólo recibe la radiación difusa. A estos efectos, se puede poner justo en la parte de debajo de la propia bandeja donde van los fotodiodos que sí deben recibir la radiación directa. Además del primero de los descritos, habrá otro que irá emplazado de forma semejante y paralela al primero, pero embebido entre dos pequeñas paredes semicirculares que son paralelas al plano de simetría del colector, y se asientan sobre la regleta. Como se verá con mayor claridad en la explicación de los dibujos adjuntos, cuando el fotodiodo embebido en el receptáculo de paredes paralelas dé la misma señal de intensidad de radiación recibida (en W/m²) que el valor de la radiación directa, determinado éste experimentalmente como diferencia de las medidas de los otros dos fotodiodos, es que el enfoque es perfecto. Caso de no ser así, se sabrá en qué cantidad de radiación está afectando el desenfoque, y así mismo se podrá girar el colector para maximizar la radiación recibida.

Para aplicar la invención se habrá de partir de un fotodiodo tipo de características conocidas, como las representadas en la figura 1. Al aumentar la intensidad de luz recibida, la potencia suministrada se incrementa (aunque no linealmente) para lo cual el circuito del fotodiodo se cierra eléctricamente con una carga permanente resistiva, de modo que el producto de la diferencia de potencial por la intensidad proporciona una medida absolutamente fiable de la potencia, al ser la electricidad de corriente continua.

Es importante tener en cuenta que los fotodiodos pierden rendimiento de generación de electricidad cuando se calientan, por lo que habrá que registrar la temperatura de los mismos, por si las diferencias fueran significativas, y hubiera que efectuar las correcciones pertinentes, que se muestran genéricamente en la figura 1, al tener que inferir la intensidad I (W/m²) a partir de la potencia medida, usando la curva de temperatura que corresponda.

Breve...

1. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico, para asegurar una precisión determinada de enfoque del colector (1) hacia el sol, comprendiendo el colimador una pluralidad de fotodiodos (4, 12, 6, 13, 8, 15) cuyas curvas características de relación entre irradiación recibida y potencia eléctrica generada sobre un circuito resistivo dado, son conocidas en función de la temperatura, estando los fotodiodos (4, 12, 6, 13, 8, 15) dispuestos en una regleta (5) paralela al eje focal (2) del colector y en plano perpendicular al plano longitudinal de simetría del colector; caracterizado porque, la disposición de los fotodiodos es la siguiente:

- fotodiodos de anverso (4, 12) colocados en la cara superior de la regleta, iluminada por el sol;

- fotodiodos de reverso (8,15) colocados en la cara no iluminada por el sol;

- un fotodiodo encapsulado (6, ó 13) colocado en la cara de la regleta (5) iluminada por el sol, dentro de un receptáculo (7, ó 14) que tiene paredes planas paralelas al plano longitudinal de simetría, teniendo dichas paredes forma de sector circular y un recubrimiento interno de reflectividad nula, y estando dichas paredes asentadas en pié sobre la regleta 5, teniendo el receptáculo (7) una anchura interior, a, igual a la del fotodiodo encapsulado (6, 13), y teniendo las paredes del receptáculo un radio R comprendido entre 30 y 100 veces el valor de su anchura interior a, 30a<R<100a.

2. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de (a reivindicación 1, caracterizado porque la parte exterior de la apertura del receptáculo (7) está cubierta por un material transparente (11, 16), para facilidad de limpieza y para impedir un ensuciamiento del interior del receptáculo.

3. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque los fotodiodos de anverso (4, 12) y los fotodiodos de reverso (8, 15) están forrados con la misma cubierta de un material transparente (11, 16) usada para cerrar la apertura del receptáculo (7, 14).

4. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque los fotodiodos (4, 6, 8) son iguales entre si en tamaño, forma, material y circuito resistivo, y tienen al menos tres facetas conformadas para cubrir 180 grados sexagesimales de una semicircunferencia; y tienen dimensiones transversales y longitudinales del orden de magnitud de la anchura interior, a.

5. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque para el montaje simplificado en colectores con eje focal Norte-Sur, los fotodiodos (12, 13, 15) son iguales entre sí en tamaño, forma, material y circuito resistivo, y tienen al menos tres facetas conformadas para cubrir 90 grados sexagesimales de un cuarto de circunferencia; y tienen dimensiones transversales y longitudinales del orden de magnitud de la anchura interior, a.

6. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque tanto los fotodiodos del anverso (4,12) como los fotodiodos del reverso (8, 15), están provistos de un termopar o medidor de temperatura, pegado a él, habiendo otro termopar pegado a la parte central del receptáculo, dentro del cual se aloja el fotodiodo encapsulado (6,13).

7. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque en el procedimiento de colimación se registran las temperaturas de cada termopar, para utilizar en cada fotodiodo la curva característica de relación de potencia eléctrica generada respecto de radiación recibida, correspondiente a su temperatura.

8. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque en el montaje del colector (1) en disposición norte-sur, es decir, coincidiendo el eje focal (2) con el meridiano local, puede montarse la opción que comprende tres fotodiodos (12, 13 y 15), siendo uno de ellos de anverso (12), otro de reverso (15), y un fotodiodo encapsulado (13) en un receptáculo (14) de forma de cuadrante circunferencial.

9. Colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico según la reivindicación 8, caracterizado porque en el caso del montaje simplificado Norte-Sur, la apertura con la cubierta transparente (16) está orientada:

al sur en montajes en el hemisferio Norte;

al norte en montajes en el hemisferio Sur.

10. Procedimiento para orientar un colector (1) cilindro-parabólico verificando experimentalmente que la radiación solar recibida en el colector (1) cilindro-parabólico llega en dirección apropiada, paralela a su plano longitudinal de simetría, para que sea concentrada sobre el eje focal (2); lo cual se verifica mediante el colimador solar para enfoque de un colector (1) cilindro-parabólico de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque el procedimiento comprende: