Concentrador de la radiación solar, con espejos parabólicos múltiples independientes.

Dispositivo compuesto por varios espejos longitudinales (7) de ejes paralelos, y a su vez paralelos al eje longitudinal del receptor (1) en el que enfocan, cuyas secciones rectas son arcos parabólicos definidos para una posición solar de referencia, pasando la parábola (44) por el punto central del espejo (25), y teniendo como foco el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), donde incide la radiación reflejada, estando acotada la anchura de cada espejo para acotar de esa manera la deriva de rayos reflejados en otras posiciones solares distintas de las de referencia, y quedando establecida la separación entre espejos sucesivos para evitar sombras a partir de cierta altura del sol

Concentrador de la radiación solar, con espejos parabólicos múltiples independientes.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales cuyos ejes más largos son horizontales o levemente inclinados, y orientables en sentido transversal por girar alrededor de su eje de simetría longitudinal; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor asimismo longitudinal, con su eje largo horizontal o levemente inclinado, y con cierta inclinación en sentido transversal, y paralelo a los ejes de los espejos.

Dicho receptor puede tener estructuraciones muy diversas y estar compuesto de materiales muy diferentes, pues puede dedicarse a usos térmicos de alta temperatura, a conversión fotovoltaica, a procesos fotoquímicos o termoquímicos, o a cualquier fenómeno que necesite radiación electromagnética de tipo visible, infrarrojo o ultravioleta. En todo caso, el receptor tendrá una superficie o cara activa, que es lo verdaderamente relevante a efectos de esta invención, y es la zona en la que incide y se absorbe la radiación concentrada.

La invención se encuadra en el denominado campo solar, que es el conjunto de espejos con sus armazones y elementos de enfoque correspondientes, para reflejar la radiación solar directamente procedente del sol sobre dicha cara activa, acumulando sobre ésta una intensidad muy superior a la radiación solar original, por incidir sobre la unidad de superficie activa del receptor la radiación procedente de varias superficies reflectantes, que en total suman una superficie varias veces mayor que dicha unidad de superficie.

Antecedentes de la invención

La invención tiene un antecedente inmediato, que es la solicitud de patente P201000644, que trata de un Dispositivo concentrador de la radiación solar, con espejos longitudinales, rotativos alrededor de su eje más largo, siendo estos ejes paralelos entre sí y paralelos a su vez a la cara activa del receptor en su sentido longitudinal. Los inventores de dicha solicitud son los mismos que firman la presente. La diferencia fundamental entre ambas radica en el perfil de sección recta que se usa en los espejos longitudinales que conforman el campo solar. En la solicitud citada, la sección recta de los espejos corresponde a arcos circulares, que no producen una concentración perfecta de los rayos paralelos a su eje de simetría, pero proporcionan una concentración aceptable cuando la apertura angular con la que el espejo se ilumina desde el punto central de la cara activa del receptor es lo suficientemente pequeña como para que su valor, en radianes, coincida con el seno del ángulo, al menos en las tres primeras cifras decimales. En la presente invención se busca una concentración perfecta de los rayos paralelos al eje de simetría de cada conjunto receptor-espejo, lo cual se consigue con perfiles parabólicos en las secciones rectas de los espejos. Ahora bien, al tener como eje de giro únicamente su eje más largo, o longitudinal, los espejos sólo concentran perfectamente los rayos solares en una posición del sol en la bóveda celeste; y la invención atiende a dar las prescripciones constructivas precisas para que la concentración de radiación sobre el receptor sea la más alta posible, con las restricciones que quepa imponer a la anchura de los espejos.

La disposición macroscópica de la instalación es idéntica en este caso a la descrita en la referida solicitud anterior, correspondiendo al montaje que se denomina Fresnel de reflexión. En la citada solicitud se analizan varios otros antecedentes de este tipo de montaje, que simplemente se reseñan aquí, pues quedaron valorados en esa solicitud. Como patentes clásicas cabe citar las WO 99/42765, BE 1 013 565 A3 y BE 1 013 566 A3; y como patentes más recientes las WO 2009/029277 A2 y 2009/023063 A2; y otras patentes reseñables son WO 2006/000834 A1, WO 02/12799 A2, WO 02/12799 A2 y EP 2 161 516 A1.

Problema técnico a resolver

Todos estos antecedentes, salvo el específico de la P201000644, ignoran el hecho físico fundamental de que la radiación solar no está perfectamente colimada, sino que procede del disco solar, que tiene una apertura óptica desde la Tierra que vale 32' (32 minutos sexagesimales), siendo su intensidad prácticamente uniforme en todo el disco, como corresponde a radiación emitida de forma perfectamente difusa desde una superficie esférica. Esta apertura significa que la radiación incidente en un punto de la superficie terrestre no está compuesta simplemente de un rayo procedente del sol, sino que es un cono de rayos cuyo ángulo cónico vale precisamente los 32' antes mencionados. Por ende, y en función del principio de reflexión de la luz, desde el punto en cuestión no se refleja un solo rayo, sino un conjunto de rayos, o haz, de apertura exactamente igual a la del haz incidente, es decir, 32'. Esta apertura equivale a 0,0093 radianes (ó 1/107 radianes), lo que significa que, cuando el haz recorre distancias progresivamente largas, la superficie de su sección recta transversal deviene cada vez más grande, lo que produce una baja intensidad en el receptor absorbedor de la radiación solar.

Ese bajo valor de la radiación recibida impide que el fluido calorífero, que circula por los tubos del absorbedor, alcance altas temperaturas. O en el caso fotovoltaico, impide que llegue la radiación necesaria a células de alto rendimiento, que sólo se pueden fabricar en pequeñas cantidades por ser muy caras, pero que proporcionan buenas prestaciones cuando se iluminan con una intensidad decenas de veces mayor que la natural.

Con los sistemas actuales de concentración denominados Fresnel longitudinales de reflexión, que son de construcción mucho más barata que los otros sistemas de concentración, resulta imposible conseguir altos valores de concentración de la radiación. Por tanto, el problema a resolver es alcanzar dichos valores de concentración suficientemente altos en un dispositivo de esta geometría básica, dimensionando sus elementos constitutivos de manera novedosa, teniendo en cuenta la apertura natural de la luz solar y la deriva, o desplazamiento de la trayectoria, de los rayos reflejados por un espejo, cuando éste se gira para enfocarse al sol en cualquier posición no coincidente con la de referencia, que es la empleada para definir su geometría.

Otras consideraciones previas

En la solicitud aquí presentada, la invención parte de un conjunto de espejos ligeramente cóncavos en sentido transversal, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura. Los espejos no tienen más que un grado de libertad de giro, y concretamente coincide su eje de giro con su eje de simetría longitudinal, que a su vez es el eje que toma apoyo en unos cojinetes cilíndricos estándar, que se asientan sobre los pilares que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, aunque puede girar sobre su eje imaginario central. Para ello, en un extremo del eje físico va solidariamente unida una rueda dentada, un tornillo sinfín o una polea rotatoria, que por medio de un motor eléctrico o un empujador hidráulico, bien actuando a través de un engranaje directo, bien a través de cadena o correa de transmisión, obliga a que el espejo gire sobre su eje central longitudinal, tomando éste la inclinación que corresponde para que sus rayos reflejados se enfoquen sobre la superficie activa del receptor longitudinal. La invención incluye aspectos específicos novedosos acerca del perfil de sección recta de cada espejo, según su posición relativa al receptor.

Las tablas astronómicas solares permiten conocer en cada momento la situación del sol, por lo cual cabe determinar con total precisión, dentro de las tolerancias naturales solares, cuál debe ser la inclinación de cada espejo para que sus rayos reflejados incidan sobre el receptor, cuyo eje longitudinal es paralelo al conjunto de ejes de los espejos. Es importante recordar que la máxima altura angular a la que asciende el sol sobre el horizonte local, al pasar por el meridiano en el solsticio de verano, es la suma del ángulo complementario a la latitud del lugar, más 23º 27' (grados y minutos sexagesimales) siendo este último valor la inclinación del eje de la eclíptica, y siendo la menor altura angular la diferencia entre ambas...

1. Concentrador de la radiación solar, con espejos parabólicos múltiples independientes, basado en:

un conjunto de espejos (7) ligeramente cóncavos hacia arriba, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura, que son giratorios alrededor de su eje de simetría longitudinal (14), que a su vez es el eje que sirve de apoyo en unos cojinetes, que se asientan sobre los pilares (9) que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente a los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta;

orientándose por giro cada espejo para reflejar la radiación hacia un receptor solar (1) de carácter longitudinal, ubicado su eje de simetría longitudinal a una altura H sobre la altura del eje del espejo (5) más cercano al receptor (1), merced a unos báculos o pilares (8) que lo soportan, con una cara activa (2) que es por donde recibe la radiación (6) reflejada por los espejos (7), teniendo la superficie activa (2) una anchura transversal R;

definiéndose el plano de trabajo como un plano perpendicular a los ejes de giro de los espejos, y considerándose la cara activa (2) como un segmento recto en el plano de trabajo, que corresponde a la aproximación a una línea recta de la conformación real que tenga la cara activa (2), que es la cara donde se recibe la radiación concentrada (6) reflejada por los espejos (7), siendo dicha cara activa (2) perpendicular a la bisectriz visual (69) del campo de espejos, siendo dicha bisectriz visual (69) la del ángulo formado en el punto central (3) de la cara activa (2) por las rectas que van desde dicho punto (3) a los puntos centrales respectivos, (63) y (64), de los espejos más cercano (5) y más lejano (24) al receptor (1);

conteniendo el receptor (1) unos elementos interiores (19) que absorben la radiación solar, siendo dicho receptor (1) de geometría longitudinal, y su longitud mayor paralela a los ejes longitudinales (14) de los espejos;

habiendo un último espejo (24) que es el más alejado del receptor, montándose campos de espejos simétricamente respecto de dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo, particularmente en los montajes en los cuales los ejes longitudinales siguen el meridiano local, y montándose tanto al norte como al sur del receptor en los casos en que los ejes longitudinales de los espejos son paralelos al paralelo astronómico local, en cuyos montajes también se pueden ubicar dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo;

y el giro dado a cada uno de los espejos (7), para su enfoque al sol en cada momento, se define porque la normal (27) al espejo (7) en su punto central (25) coincide con la bisectriz del ángulo formado, en el plano de trabajo, por la proyección en ese plano del rayo central (26) del haz solar incidente en ese punto central (25), y la recta (48) que va desde este punto (25) hasta el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), ya definida en ese plano, yendo el rayo (28) reflejado desde el punto central (25) a lo largo de la recta (48);

expresándose las posiciones y ángulos en un sistema de coordenadas en el plano de trabajo empleado, que es un plano perpendicular a los ejes longitudinales, y que por tanto corta transversal y perpendicularmente al receptor y a los espejos, proyectándose sobre dicho plano de trabajo la posición del sol según los datos astronómicos, y siendo el eje de ordenadas del sistema de coordenadas en el plano de trabajo la recta vertical (10) que pasa por el punto central o medio (3) del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1) en el plano de trabajo, y siendo el eje de abscisas (11) la recta horizontal que pasa por el punto central (63) de la marca que, en el plano de trabajo, representa al espejo (5) más cercano al receptor (1), caracterizado por que

cada espejo (7) tiene como sección recta un perfil de arco parabólico que corresponde a la parábola que, pasando por el punto central (25) de la sección recta del espejo, que es el punto fijo alrededor del cual gira, tiene como foco el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1), y el eje de simetría de la parábola es la recta que pasando por este foco, tiene una inclinación sobre la horizontal igual a la de los rayos solares (4) que se toman como rayos de la posición de referencia;

y queda definida la sección recta del espejo por el arco parabólico que queda encerrado dentro de la circunferencia (52) con centro en el punto central (25) del espejo, cuyo radio es E/2, siendo E la anchura del espejo, que corresponde, para los montajes según el meridiano y para los montajes según el paralelo con el campo de espejos al sur del receptor, en el hemisferio Norte, al valor

siendo Dmax la distancia desde el punto central (64) del último espejo (24) del campo, al punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1);

siendo P el cociente entre la máxima deriva de rayos que se admite en los espejos, y el valor W, que es la anchura transversal visual o aparente de la cara activa (2) del receptor (1), que es igual al valor de R multiplicado por el coseno del ángulo A99 del espejo en cuestión; siendo A99 el ángulo formado por la normal a la cara activa (2) en su punto central (3) y la recta (48) que une este punto con el punto central (25) del espejo; siendo A100 el ángulo formado por la normal a la cara activa (2) en su punto central (3) y la recta (66) que une este punto con el punto central (64) del espejo más lejano (24);

y siendo Q el factor de calidad del espejo, que es mayor que 1 cuando el espejo es de buena calidad y sus tolerancias de fabricación no introducen deformaciones significativas en la reflexión de rayos; y menor que 1 cuando las introducen, acotándose en esta invención su valor entre 0,5 y 2, y utilizando el valor de 1 como referencia básica; y siendo K un coeficiente trigonométrico, que depende de la trayectoria del sol en el plano de trabajo y de la relación geométrica entre el receptor y el espejo, y que corresponde a

siendo A55 el ángulo de posición de la recta (48) que une el punto central (25) del espejo en cuestión, con el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1); y siendo A47b el ángulo de situación de los rayos solares (4) en la situación de orto efectivo, momento a partir del cual el efecto de la radiación solar sobre el receptor se considera relevante en el diseño de un dispositivo concreto; y siendo A47a el ángulo de situación de los rayos solares que se toma como referencia.

2. Concentrador de la radiación solar, con espejos parabólicos múltiples independientes, según reivindicación primera, caracterizado por que en los montajes según el paralelo con el campo de espejos al norte del receptor, en el hemisferio Norte, el valor de la anchura E del espejo corresponde al menor de los dos valores expuestos a continuación, Eb y Ec:

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