Receptor para central solar con espejos (7) y receptores (1) longitudinales horizontales,

cuyos ejes de giro y de simetría (14) son paralelos al eje largo del receptor de la radiación, que está constituido por un colector de dilatación y presión compensadas, cuyos tubos (19) van agrupados en haces independientes, central (20) y adyacentes (21 y 22), aislados térmicamente entre sí longitudinalmente, circulando el fluido calorífero primero por ambos haces adyacentes en paralelo, para ser inyectado a continuación en el haz central, donde la intensidad de radiación recibida es mayor por recibir la radiación del conjunto de espejos enfocados sobre la línea media de la cara activa (2) del receptor, pudiendo cada haz de tubos ir cubierto por una ventana transparente (28) independiente (60, 61, 62)

Receptor para central solar con espejos longitudinales.

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, horizontales o levemente inclinados, y orientables 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.

El receptor está destinado a transferir a un fluido una parte sustancial de la energía que porta los fotones de la radiación solar que incide en el receptor. Para ello el receptor tendrá una superficie o cara activa con unas propiedades ópticas y térmicas adecuadas, consistentes en tener una alta absortividad a la radiación solar, y una baja emisividad propia. Esa cara activa habrá de estar conectada térmicamente con un conjunto de tubos paralelos, cuyos ejes son paralelos a su vez a los espejos longitudinales. Por el interior de los tubos circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, que será una aplicación térmica, y en particular un ciclo termodinámico, que se aplicará a una central termo-solar de alta temperatura, usualmente dedicada a la generación de electricidad. La propia superficie exterior de los tubos en la que incide la radiación puede ser la cara activa del receptor, aunque son posibles otras configuraciones. En todo caso, la estructura geométrica y térmica del receptor es un factor clave para conseguir el objetivo buscado, que requiere una alta captación de calor por parte de dicho fluido, denominado calorífero, para que el fluido alcance las temperaturas requeridas por la aplicación térmica.

Antecedentes de la invención

Esta invención está relacionada muy directamente con otras dos invenciones, cuyo primer inventor es el mismo primer inventor de esta solicitud. La primera de ellas es un antecedente específico que atañe al receptor, y es la patente española ES 2 321 576 B2, concedida el 13 de octubre de 2009 (BOPI) y que fue solicitada el 31.12.2008, con el nº P200803767. En esta invención se presenta un receptor de dilatación y presión compensadas, idóneo para recibir ra- diación en una superficie tipo fachada, aunque de geometría adaptable al campo de espejos del que recibe la radiación.

La segunda invención es otra solicitud del mismo titular y los mismos inventores que ésta, titulada "Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales", presentada en la OEPM con nº P201000644. En ella se establecen las prescripciones de posición, tamaño y curvatura de los espejos, así como posición y tamaño del receptor, aunque sin dar prescripción alguna sobre el contenido de éste, dado que dicho dispositivo de concentración de la radiación solar se puede aplicar a cualquier fin. Recíprocamente, el receptor de la central solar térmica establecido en la presente invención puede funcionar con la radiación concentrada por cualquier dispositivo de configuración longitudinal. A continuación se referencian dos antecedentes de campos de espejos y de receptores longitudinales, que por ser muy cercanos en el tiempo son muy representativos del estado del arte.

La solicitud internacional WO 2009/029277 A2 plantea una configuración Fresnel convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones numéricas de montaje, y con reivindicaciones muy genéricas; usando espejos planos en sus figuras 3 y 4, y cóncavos, sin especificar más, en la 12, tratando también la configuración de circuitos hidráulicos en el receptor multitubo, aunque sin agrupar éstos en haces con función diferente por recibir diferentes niveles de intensidad, pues no tiene en cuenta la apertura natural de la luz solar; y la WO 2009/023063 A2 trata de un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación, pero igualmente no aborda la agrupación por haces, para efectuar un calentamiento progresivo del fluido calorífero, sin generación innecesaria de entropía.

Problema técnico a resolver

Un hecho físico fundamental es 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' (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 emerge 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 1/107,5 radianes) lo que significa que, cuando el haz recorre distancias relativamente largas, la superficie de su sección recta deviene cada vez más grande, lo que produce una baja intensidad en el receptor absorbedor de la radiación solar.

Más aún, cuando en la cara activa del receptor se superponen las radiaciones reflejadas por varios espejos, con objeto de incrementar la intensidad de la radiación, que se expresa en W/m² en el sistema SI, la distribución superficial de la intensidad muestra importantes variaciones, pues es mayor en la zona central, hacia la cual se enfocan los haces de luz reflejada, y es menor hacia la periferia de la cara activa del receptor, donde la intensidad decrece como las alas de una curva de campana.

Un bajo valor de la radiación recibida impide que el fluido calorífero, que circula por los tubos del receptor absorbedor de radiación, alcance altas temperaturas, porque no las alcanza ni la cara activa. De hecho, la máxima temperatura absoluta que puede alcanzar la cara activa de un receptor como el aquí planteado, depende de los siguientes factores:

A = absortividad de la cara activa a la radiación solar.

E = emisividad de la cara activa (que depende en cierta medida de la propia temperatura de la cara activa).

I = intensidad (W/m²) de la radiación recibida

La máxima temperatura absoluta T, en K (Kelvin) alcanzable con esas condiciones es

T = (A•I•10⁸/5,67•E)^1/4

La ecuación anterior obedece a suponer que no existe en la cara activa del receptor otro mecanismo de transferencia de calor que la radiación; lo cual implica que el rendimiento de captación de calor por parte del fluido sería nulo. En la realidad, una gran parte del calor será transferido al fluido, y además habrá pérdidas de convección y conducción, por lo que la T real de un receptor quedará siempre por debajo de la antedicha; que presenta la ventaja de evidenciar la dependencia de la temperatura respecto de la intensidad, I. En términos cualitativos se puede decir que, en un balance térmico completo de un receptor, la temperatura de la cara activa del mismo y la temperatura del fluido serán mayores con intensidades más altas, si se mantienen constantes los demás factores que intervienen.

Por otra parte, si las zonas distintas de la cara activa que reciben diversa intensidad, intercambian dicha energía, pasando el calor de las partes más calientes a las menos calientes, se uniformiza la temperatura, se incrementa la entropía y se reduce la exergía, lo cual redunda negativamente en los rendimientos energético y exergético del fin útil del receptor, que es calentar el fluido calorífero hasta alta temperatura, y en caudal suficiente.

Análogamente, si dos corrientes de fluido a distinta temperatura se mezclan, se produce una compensación de temperatura, que se promedia con los pesos de las capacidades caloríferas; se incrementa la entropía, y se reduce la exergía; lo cual significa que efectuar mezclas a distinta temperatura, por conducción o a nivel de caudal, va en contra de los objetivos de una aplicación térmica.

Así pues, el problema técnico que esta invención viene a resolver es utilizar la radiación reflejada por un dispositivo concentrador de espejos longitudinales, de tal modo que se consigan altos...

1. Receptor (1, 43, 44, 54) para central solar con espejos longitudinales, basado en un colector o cajón (24) de dilatación y presión compensadas, que recibe la radiación de un conjunto de espejos ligeramente cóncavos (7) 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 asientan sobre los pilares (9) 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 (14), se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, orientándose cada espejo (7) para reflejar la radiación (6) hacia al menos un receptor solar (1, 43, 44, 54) de carácter longitudinal, ubicado su eje de simetría longitudinal a una altura H sobre la altura del eje del espejo más cercano (5) al receptor (1, 43, 44, 54) 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 las espejos (7); siendo dicho receptor de geometría longitudinal, y su longitud mayor paralela a los ejes longitudinales (14) de los espejos (7), y teniendo cierto ángulo de inclinación transversal respecto de la horizontal, habiendo un último espejo (32) que es el más alejado del receptor (1, 43, 44, 54), pudiéndose montar dos campos de espejos (7) simétricamente respecto de dos receptores (1, 43, 44, 54) paralelos con las caras activas (2) 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 (1, 43, 44, 54) en los casos en los que los ejes longitudinales (14) de los espejos (7) son paralelos al paralelo astronómico local, en cuyos montajes también se pueden ubicar dos receptores (1, 43, 44, 54) paralelos con las caras activas (2) opuestas, mirando cada cara a un campo, y en el cual las posiciones y ángulos se expresan en un sistema de coordenadas en el plano de trabajo empleado, que es siempre normal a los ejes longitudinales de montaje, que entre sí son paralelos; 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, 43, 44, 54) en el plano de trabajo, y siendo el eje de abscisas (11) la recta horizontal que pasa por el punto central (34) del segmento que, en el plano de trabajo, representa al espejo (5) más cercano al receptor (1, 43, 44, 54), con una anchura transversal de la superficie o cara activa (2) del receptor seleccionada en un valor del orden del 1% de la distancia en línea recta existente entre el punto central (35) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1, 43, 44, 54); seleccionando el ángulo de visión del punto central (3) del receptor (1, 43, 44, 54) desde el punto central (35) del espejo más alejado (32) en un margen de valores entre 10º y 80º, con valor óptimo de 45º, medido sobre la horizontal del lugar; y quedando determinada la inclinación de la cara activa (2) del receptor (1, 43, 44, 54) porque el segmento que marca dicha superficie en el plano de trabajo es perpendicular a la bisectriz del campo, siendo dicha bisectriz la del ángulo formado con las rectas que van, respectivamente, desde el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1, 43, 44, 54) al punto central (34) del espejo más cercano (5) al receptor, y al punto central (35) del espejo más lejano (32); disponiéndose de un conjunto de bombas y válvulas controlables, exteriores al receptor en sí, pero imprescindibles para el funcionamiento de la invención, por forzar al fluido calorífero a los movimientos que se prescriben a lo largo de los circuitos hidráulicos del receptor; ocurriendo que la radiación solar reflejada (6) por los distintos espejos (7) incide finalmente sobre un receptor (1, 43, 44, 54) en cuyo interior se disponen unos tubos longitudinales (19) por los que circula un fluido calorífico que alimenta una aplicación térmica; siendo la cara activa (2) del receptor (1, 43, 44, 54) la propia superficie exterior de los tubos (19) donde incide la radiación (6), o estando la cara activa (2), donde incide la radiación (6), conectada térmicamente con la superficie de los tubos (19), que se agrupan al menos en tres haces independientes, en sentido transversal, habiendo un haz central (20) de tubos longitudinales, y al menos dos haces adyacentes (21) y (22), uno por cada lado del haz central (20), pudiendo ir éstos en el mismo cajón (24) o en cajones adyacentes, pero en todo caso sin mezclarse sus corrientes de fluido calorífero durante su paso por el receptor (1, 43, 44, 54), teniendo los haces central (20) y adyacentes (21) y (22) un aislante térmico (23) longitudinal entre sí, que los separa; y siendo el reparto de porcentaje de la superficie activa total (2) del receptor (1, 43, 44, 54), entre el haz central de tubos (20) y los haces adyacentes (21) y (22), un valor seleccionado entre que el haz central (20) ocupe el 99% de la superficie activa, y el resto los adyacentes (21) y (22); y que el haz central ocupe el 20%, ocupando los adyacentes (21) y (22) el resto; dando como valor de referencia para el reparto, el 50% de la superficie activa ocupada por el haz central (20), y los haces adyacentes (21) y (22) ocupando cada uno, a un lado y otro, el 25% de la superficie activa total (2) del receptor (1, 43, 44, 54), caracterizado porque los haces de tubos longitudinales (19) del receptor (1, 43, 44, 54) se disponen con oblicuidad entre ellos, quedando todo el ángulo por el que llega la radiación cubierto por la superficie activa de los tubos, merced al recubrimiento que proporcionan los haces, habiendo incluso una pequeña zona de sombra del extremo de una haz sobre el contiguo, de extensión no mayor a la mitad del radio del tubo en sombra, sin que exista contacto físico entre los extremos de ambos haces, y pudiéndose interponer entre ellos, sin contacto físico con ambos a la vez, unas piezas de aislante térmico que además impiden el paso de corrientes de convección, en el caso de que exista gas de llenado en el cajón (24) del receptor.

2. Receptor para central solar con espejos longitudinales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en los montajes con dos receptores simétricos (43) y (44), de caras opuestas, el fluido es recibido de las tuberías de conducción que lo aportan (45), relativamente frío, desde la aplicación térmica y se hace circular por los haces adyacentes (46) de la primera cara, que es la que está recibiendo menor intensidad de radiación; y tras ese primer paso, pasan, mediante una conexión exterior (48), a los haces adyacentes (49) del otro receptor (44), por los que circulan, terminando así la fase de precalentamiento, en la que se aprovechan los valores de las zonas periféricas (38), (39) de la radiación enviada por el campo de espejos (7) y que incide en la cara activa (2) del receptor; entrando entonces el fluido desde los haces adyacentes (49) del segundo receptor (44), a través de una conexión exterior (50), en el haz central (47) del primer receptor (43), donde los niveles de la radiación concentrada son más altos (37) en intensidad, medida ésta en vatios por unidad de superficie, lo cual hace que el fluido adquiera temperaturas más altas a su paso por dicho haz, y este mayor calentamiento se completa en el paso del fluido por el haz central (52) del segundo receptor (44), al que llega desde el haz central (47) del primer receptor (43), por otra conexión exterior (51), y desde el que sale por la conducción exterior (53) para ir a la aplicación térmica.