Sistema que regula el seguimiento solar de un campo de espejos longitudinales giratorios sobre sus ejes,

coincidentes con las líneas longitudinales centrales de cada superficie especular, siendo accionados los ejes por unas ruedas compuestas de dos partes concéntricas ensambladas mediante entalladura común, accionadas éstas por al menos un vástago cuyos ojales se engastan en los tetones que emergen de la periferia de una cara lateral de las ruedas, moviéndose el conjunto por acción de un motor eléctrico que arranca cuando recibe una señal de apagado consecutivo de N fotocélulas, y se interrumpe el giro, quedando bloqueado el sistema, cuando el minutero sexagesimal testifica, mediante su giro sobre un arco circular fijo, que el conjunto de espejos ha girado los minutos que se hayan fijado

Sistema de enfoque al sol de colectores solares.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las instalaciones solares que concentran la radiación solar original sobre una superficie receptora, merced a la reflexión de la radiación en un conjunto de espejos adecuadamente enfocados al sol a lo largo de su trayectoria diurna.

Más concretamente la invención se aplica a conjuntos de espejos longitudinales paralelos, que a su vez son paralelos a la superficie receptora, en la cual puede situarse una aplicación térmica o fotovoltaica.

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención

El Sol se aprecia desde la Tierra como un disco emisor de radiación, con intensidad sensiblemente uniforme, y 32' (minutos sexagesimales) de apertura óptica, o valor angular de su diámetro. Esta apertura corresponde a 1/107 radianes, lo cual es un dato esencial al tratar con la radiación solar. Asimismo es fundamental tener en cuenta la trayectoria diurna del sol, que a su vez cambia cada día; lo cual no es óbice para que dicha trayectoria se conozca muy bien para cada día del año, y para cada localización geográfica. Eso lleva a menudo a utilizar tablas astronómicas para efectuar el enfoque al sol de los aparatos de reflexión o de refracción que trabajan con la radiación solar, o la miden. Ahora bien, las tolerancias mecánicas de esos aparatos, más las propias de los sistemas de arrastre o giro, y de los motores eléctricos que en general producen esos movimientos, hace que no sea completamente fiable ese enfoque, y se usen medios para verificar su puntería o efectividad, como el propuesto en la solicitud de patente ES 2 325 975 A1 de este mismo inventor, aplicable a concentradores cilindro-parabólicos.

En esta invención se usa como geometría de la reflexión y concentración de la luz un dispositivo de múltiples espejos longitudinales, que giran alrededor de su eje longitudinal cuando han de seguir al sol para enfocar la radiación reflejada sobre un receptor que está en alto sobre los espejos. Este dispositivo presenta limitaciones ciertas en la concentración de radiación, según es conocido en la literatura científica sobre el tema; aunque dichas limitaciones no son tan drásticas como se creía, si se usan las pautas adecuadas para dimensionar los elementos constitutivos de éstos, según ha quedado en evidencia en las solicitudes de patente de este mismo inventor, ES 2 345 759 A1 y ES 2 346 629 A1, con las cuales pueden mejorarse mucho las prestaciones de estos dispositivos en cuanto a concentración de la radiación. Pero esas invenciones carecen de un método de enfoque al sol y corroboración de su exactitud, pues suponen que ese enfoque es exacto, cosa que se aleja bastante de la realidad.

En el estado de la técnica se conocen referencias que describen algunos dispositivos de enfoque y seguimiento (tracking) solar, estando algunos de ellos dedicados a dispositivos longitudinales de reflexión, aunque las soluciones que aportan están muy alejadas de la presente invención. Algunas de ellas, como la del documento US 2008/0128017 A1, parecen desconocer la característica de que todos los espejos de un montaje Fresnel (como muchos llaman a dispositivos de este tipo) han de rotar con la misma velocidad angular, aunque cada uno tenga inclinación distinta, pues todos han de reflejar los rayos solares sobre el receptor. Es decir, es un giro cuya velocidad angular es la misma para todos los espejos en un momento dado, pero la fase de giro en la que se mueve cada espejo es particular de dicho espejo.

Un grupo importante de solicitudes lo constituyen las US 2010/051075 A1, US 2010/051016 A1 y US 2010/051018 A1, con muchos puntos comunes en la descripción de los equipos, y con dos fallos fundamentales que inhabilitan su aplicabilidad, pues ignoran la apertura de 32 minutos en la luz solar, y hacen girar los espejos sobre un eje del soporte estructural del espejo, no coincidente con la superficie reflectiva en sí misma, lo cual produce unas inexactitudes tremendas en el enfoque.

Los documentos US 2010/051017 A1 y WO 2009/131787 A1, se refieren al seguimiento en dos ejes, y responden a la vía más clásica de usar datos astronómicos para efectuar el seguimiento, que pasa a ser así cosa de diagramas de bloques expresando qué se debe hacer, sin detallar exactamente cómo se hace.

Volviendo al caso del seguimiento con giro en 1 eje, se encuentran los documentos US 2008/0163864 A1 y US 2008/295825 A1, pero también ignoran la apertura de 32' y no contienen ningún dispositivo que testifique que la orden dada al seguidor o "tracker" se verifique exactamente. Se usan tornillos sin fin o correas para transmitir el giro, lo cual es práctica común en la tecnología, pero no es adecuado en un aparato solar, que por la apertura de la radiación debe tener una precisión mejor que una fracción moderada de la apertura del disco solar. En definitiva, precedente directo no existe, pues además la invención se basa en dispositivos de acción discretizada, en los que quedan acotados los errores cometidos, y se usa la propia posición del sol para garantizar la corrección del enfoque.

Descripción de la invención

La invención consiste en un sistema que emplea ruedas compuestas de dos partes concéntricas, que producen el giro de los espejos de manera discreta, en saltos de N minutos sexagesimales, actuando el motor eléctrico que produce el giro sólo el tiempo necesario para efectuar el giro antedicho. Esto se materializa en dos acciones, de puesta en marcha del motor que induce el giro, súbito, de N minutos sexagesimales; y la interrupción de la acción del motor en cuanto se han girado dichos N minutos, siempre en la dirección del sol en el plano de trabajo de la invención, que es un plano perpendicular a los ejes de los espejos y del receptor. Esta última acción de interrupción o parada, se materializa porque la corriente de alimentación a dicho motor se corta abruptamente cuando el giro de los espejos alcanza los N minutos antedichos, girando todos los espejos la misma cantidad, aunque están en desfase unos con otros.

Este giro corresponde a un movimiento solar que vale 2N minutos sexagesimales, medido en la proyección de la trayectoria astronómica solar sobre el plano de trabajo de la invención, efectuándose la medición de dicho movimiento solar por medio de un conjunto de fotocélulas, lo cual activa, mediante un circuito-relé, el accionamiento del motor eléctrico previa liberación de su enclavamiento interior. En la otra acción, con la que finaliza ese giro súbito, se corta la corriente del motor eléctrico, y queda éste en fase de bloqueo y freno, merced a que la rueda compuesta motriz que es girada por el motor, tiene solidaria a ella una gran aguja minutero, que gira sobre el mismo eje de la rueda compuesta; y tiene dicho minutero en su extremo una pieza de contacto eléctrico. El minutero gira N minutos sexagesimales solidariamente con la rueda motriz, cuando ésta gira por acción del motor; encontrando el minutero tras ese giro súbito una nueva hendidura o valle en la entalladura, en donde hay otro contacto eléctrico, con el que cierra el minutero ese circuito específico, que es un relé que corta la alimentación del motor y al mismo tiempo bloquea los ejes de giro, por bloquear el motor eléctrico solidario a ellos y a su sistema de transmisión, basado en las ruedas compuestas solidarias con cada eje, accionadas por un vástago corrido tractor/empujador; siendo el número de minutos N un valor fijado por diseño, que es inferior a los 32 minutos sexagesimales de apertura de la luz solar al llegar a la Tierra.

La invención incluye el montaje de los espejos con el eje de giro en perfecta coincidencia con un eje longitudinal perfectamente identificado en la superficie especular propiamente dicha, coincidiendo por lo común este eje con el eje de simetría del espejo. Ello se materializa mediante un eje de sustentación y giro, para cada espejo, que corresponde a un cilíndrico completo en los tramos en los que queda alojado dentro del cojinete de asentamiento en cada pilar- soporte de la estructura; quedando rebajado dicho cilindro completo a menos de medio cilindro, lo cual se denomina cuasi-semi-cilindro, en la parte que es solidaria con el espejo; asentándose la pieza soporte del espejo sobre dicho cuasi-semi-cilindro con la prescripción de que el espesor de la pieza soporte del espejo, hasta la superficie especular propiamente dicha, es igual a la distancia que se ha rebajado el material del eje cuasi-semi-cilindro, desde el centro de su sección recta circular primitiva hasta la cara física que...

1. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, que regula el seguimiento solar de un campo de espejos de tipo longitudinal (7), teniendo cada espejo un eje de giro (24), reflejando estos espejos la radiación solar directa (4) sobre un receptor (1) asimismo longitudinal, que se mantiene a cierta altura sobre unos báculos o pórticos altos (8), mientras que los espejos (7) descansan sobre unos báculos o pilares bajos (9), en cuyos extremos superiores se hallan cabezales con cojinetes que es donde se asientan los ejes (24) de sustentación y giro de los espejos (7), lo cual se representa particularmente en el llamado plano de trabajo de la invención, que es perpendicular a los ejes de giro de los espejos y al eje del receptor lineal, caracterizado por que el sistema comprende:

- un conjunto de ruedas compuestas (25, 80, 85) de accionamiento de giro de cada espejo (7), montadas en el eje de giro (24, 81) de cada espejo, en uno de sus extremos, estando compuesta cada rueda (25, 80, 85) de dos partes concéntricas (32, 33, 82, 83), que se ensamblan por estar la periferia de la parte interior, y la superficie interior de la parte exterior, talladas con el mismo tipo de dientes, abarcando cada diente un número M de minutos sexagesimales;

- un conjunto de fotocélulas (70, 71) que activan, mediante un circuito-relé, el accionamiento de un motor eléctrico (31); estando acoplado el piñón (30) del eje del motor eléctrico (31) a una rueda dentada (29) montada sobre el eje de giro (81) del espejo motriz (79), disponiendo la rueda compuesta motriz (80) acoplada a dicho eje (81) de un vástago (26) empujador-tractor que actúa sobre las distintas ruedas compuestas (25, 85) por el acoplamiento de sucesivos ojales de dicho vástago (26) con los tetones (27) existentes en la periferia lateral de cada una de las ruedas compuestas (25, 80, 85);

- una gran aguja minutero (39), que gira solidaria al mismo eje (81) de la rueda compuesta motriz (80), teniendo dicho minutero en su extremo una pieza o puntero (40), perpendicular a la aguja, y provisto de un contacto eléctrico, deslizándose dicho puntero sobre la entalladura (35) del borde superior de un tablero fijo (28) paralelo a la rueda motriz (80), y teniendo dicha entalladura unos dientes (37), siendo la anchura angular de cada diente de N minutos sexagesimales, y correspondiendo dicho borde superior del tablero (28) a un arco circular de radio igual al de la rueda compuesta motriz (80) en el punto en el que sobresale su tetón lateral (27); y existiendo en los valles o hendiduras (36) de la entalladura (35) otro contacto eléctrico, cerrándose el correspondiente circuito cuando el contacto del puntero contacta con el contacto de un valle o hendidura (36), lo cual corta la alimentación eléctrica del motor (31) de accionamiento de giro, quedando enclavados los ejes (24, 81), el vástago (26) y las ruedas compuestas (25, 80, 85) en la posición que en ese instante tienen;

- y quedando así mismo fijos los espejos (7, 79) por ser solidarios cada uno con su eje, correspondiendo cada eje (24, 81) a un cilíndrico completo en los tramos en los que queda alojado dentro del cojinete de asentamiento en cada pilar- soporte (9) de su estructura; quedando rebajado dicho cilindro completo a menos de medio cilindro, lo cual se denomina cuasi-semi-cilindro (21), en la parte que es solidario con el espejo, asentándose la pieza soporte (22) del espejo sobre dicho cuasi-semi-cilindro con la prescripción de que el espesor de la pieza soporte del espejo, hasta la superficie especular propiamente dicha (19), es igual a la distancia que se ha rebajado el material del eje cuasi-semi-cilindro (21), desde el centro de su sección recta circular primitiva, hasta la cara física que ha quedado en la línea longitudinal central del cuasi-semi-cilindro (21).

2. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según la reivindicación primera, caracterizado por que la hendidura o valle (36) del arco superior del tablero (28), comprende una fotocélula sensible a la luz de un diodo emisor de luz, que va embebido en el puntero (40) del minutero (39), por lo que la llegada del minutero (39) a la hendidura (36) activa así otro circuito eléctrico, que actúa redundantemente como relé que corta la alimentación del motor (31) y al mismo tiempo bloquea los ejes de giro (24, 81), y bloquea las ruedas compuestas (25, 80, 85) solidarias a ellos.

3. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rueda (25, 85) que acciona el giro de un espejo (7), se monta con la inclinación angular que se determine del espejo, relativa al espejo principal o motriz, dentro de la tolerancia marcada por las entalladuras exterior e interior de las partes interna (32, 82) y externa (33, 83), respectivamente, que constituyen cada rueda (25, 85); pues cada diente de la entalladura (34) tiene un arco de circunferencia de M minutos sexagesimales; sin ser M mayor que N, y la prescripción base de la invención es M = N; manteniéndose en todo caso que la parte exterior o anillo (33, 83) de la rueda (25, 85), va forzada en una determinada posición por el tetón o protuberancia (27) en el que se ensambla el vástago (26); y la parte interior de la rueda (32, 82) se ensambla con la parte de fuera (33,83) merced a la entalladura común (34, 84), y a su vez por dentro se engasta en el eje físico (24) del espejo, y por tanto su inclinación angular se rota en módulos de M minutos sexagesimales; fijando así la rueda (25, 85), que fija la inclinación del espejo (7), relativa al espejo principal o motriz (79), con el valor más cercano al valor dado por diseño.

4. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en un extremo de cada espejo (7), y en particular, en su extremo norte, en el caso de los montajes según el meridiano, sobresale el eje (24) para engastar la rueda (25, 85) que determina el giro del espejo (7), y que va actuada por el vástago (26) engarzado en los sucesivos tetones o protuberancias (27) que sobresalen de una de las caras de las sucesivas ruedas (25, 85), en un punto de su periferia o borde, pudiéndose usar dos vástagos (26) en paralelo, ensamblados en sendos tetones (27) ubicados en posiciones diametralmente opuestas en el borde de cada rueda (25, 85).

5. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la puesta en marcha del motor eléctrico en cada salto de N minutos sexagesimales se produce al generar en un circuito-relé una señal eléctrica que pone en marcha dicho motor eléctrico, generándose dicha señal eléctrica cuando cesa la interacción luminosa causada en un conjunto de fotocélulas (70) por el rayo reflejado (74, 76) desde una pestaña longitudinal (23) adherida solidariamente a un extremo lateral del espejo al que va acoplada la rueda compuesta motriz (81), o eventualmente a cualquier otro espejo, o bien como pestaña prolongación (78) en un extremo del mismo, y que en su cara reflectiva tiene una línea longitudinal bien marcada, que es donde acaba la superficie de alta reflectividad, siendo la superficie exterior a dicha línea de muy baja reflectividad, y siendo esta línea paralela al eje del espejo, y teniendo dicha pestaña la recta normal (77) a su plano ben definida y conocida respecto de la normal al espejo principal en su punto medio; y por otro lado, a una altura escogida por diseño, sin superar la del receptor, se ubica una tablilla transversal (72), con al menos N+1 fotocélulas (70, 71), en paralelo al plano de trabajo de la instalación, estando situadas las al menos N fotocélulas (70) una tras otra a lo largo de la tablilla, en inmediata vecindad entre ellas, siendo eléctricamente independientes entre sí todas las fotocélulas, y teniendo las mismas características fotométricas todas ellas, proporcionando la que está separada (71) la señal de referencia de la radiación de fondo, por estar situada en una posición en la que no recibe ni radiación solar directa (4), ni reflejada (6) desde los espejos (7); y proporcionando las otras fotocélulas (70) una señal que indica, por su intensidad, si incide o no sobre cada una de ellas la luz reflejada desde la pestaña (23, 78), y teniendo cada fotocélula (70) una longitud, en el plano de trabajo, equivalente a un arco de 2 minutos sexagesimales, con un radio de dicho arco que es la distancia desde la pestaña (23, 78) al punto medio de las fotocélulas (70) ubicadas juntas, medida esa distancia en el plano de trabajo; y generándose la señal-relé de puesta en marcha del motor (31) de accionamiento del giro cuando el movimiento solar natural anula en N fotocélulas consecutivas la radiación reflejada desde la pestaña (23, 78), por desplazamiento del extremo del haz luminoso (74, 76), al desplazarse el sol ese arco de 2N minutos sexagesimales en el plano de trabajo.

6. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según reivindicación anterior, caracterizado por que en lo montajes en los cuales los ejes (24) de los espejos (7) están a lo largo del meridiano local, cuando el campo de espejos (7) está a levante, hay una fotocélula iluminada por la reflexión desde la pestaña escogida (23, 78), que es la fotocélula que esté más abajo de todas las iluminadas (70), y es la que se toma como referencia, pues en ella incide, al comienzo del paso de tiempo, el extremo izquierdo, o extremo occidental, del haz reflejado desde la pestaña escogida (23, 78), que se irá desplazando hacia arriba a medida que el sol avanza en su camino, dentro de ese paso discretizado, en el que no se mueven los espejos (7); por lo que la fotocélula de referencia es la primera en dejar de estar iluminada por reflexión desde la pestaña escogida (23, 78), y luego deja de estarlo su vecina de más arriba, y así sucesivamente; hasta que quedan sin iluminación desde la pestaña N fotocélulas (70), y el contador eléctrico de fotocélulas (70) desprovistas de la iluminación reflejada cierra el circuito de mando del motor eléctrico, para hacer que éste provoque el giro de las ruedas y los espejos en N minutos sexagesimales, en la dirección de avance del sol; lo que lleva a situar de nuevo la iluminación sobre la tablilla (72) de fotocélulas (70) en un punto que está N fotocélulas más abajo de lo que estaban antes del giro del espejo en N minutos sexagesimales; con lo cual vuelve la iluminación hasta la fotocélula de referencia.

7. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según reivindicación quinta, caracterizado por que en lo montajes en los cuales los ejes (24) de los espejos (7) están a lo largo del paralelo local, la orden de accionamiento del motor (31) de giro se genera cuando se produce la anulación de la iluminación por reflexión desde la pestaña escogida (23, 78), en N fotocélulas (70) consecutivas, efectuándose el giro siempre siguiendo al sol en su trayectoria proyectada en el plano de trabajo de la invención.

8. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la ubicación en la coordenada longitudinal de la tablilla (72) de fotocélulas está determinada por la reflexión de los rayos solares desde la pestaña testigo escogida (23, 78), que debe ser suficientemente larga, longitudinalmente, según lo requiera el montaje en cuestión y la latitud del lugar, pues ésta tiene mucha influencia en el valor de la componente longitudinal del vector solar, y cuanto mayor es dicha componente, más viaja el rayo reflejado (74. 76) desde la pestaña (23, 78) hasta la tablilla de fotocélulas (72), y más larga tiene que ser la pestaña; para definir la cual se denomina A a la altura a la que se ubica el centro de la tablilla de fotocélulas sobre el nivel al que se encuentra el eje del espejo principal, y se denomina G al menor valor del ángulo que forma sobre la horizontal la componente longitudinal del vector de la radiación solar que interesa aprovechar; y la longitud de la pestaña ha de ser como mínimo A/tgG, donde tgG significa el valor de la tangente del ángulo G.

9. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según reivindicación anterior, caracterizado por que la ordenada longitudinal en la que tiene que ubicarse la tablilla (72) de fotocélulas, en el montaje según el meridiano puede estar en cualquier posición en la que tenga, a su sur, una longitud de pestaña del tamaño especificado anteriormente, A/tgG, teniendo a su norte una longitud de pestaña de valor A/tgF, siendo F el menor valor del ángulo que forma sobre la horizontal la componente longitudinal del vector de la radiación solar, cuando el sol se encuentra por encima del paralelo local, bien a primeras horas tras el orto solar en verano, bien a últimas horas antes del ocaso.

10. Sistema de enfoque al sol de colectores solares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que un campo de espejos de una instalación dada puede subdividirse en varios conjuntos de espejos agrupados, con su propio mecanismo motriz cada uno de estos conjuntos.