DISCO SOLAR PARAMÉTRICO CON ESTRUCTURA MODULAR Y MÉTODO DE MONTAJE.

Disco solar paramétrico con estructura modular y método de montaje formado por un reflector primario discontinuo (1) y simétrico,

un reflector secundario (2) independiente del primario, un receptor (3) sobre el que se concentra la radiación solar (4) que refleja el primario (1), un motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) y un generador que transforma el calor solar en electricidad; donde la geometría de ambos reflectores primario (1) y secundario (2) es paramétrica y sobre el secundario (2) se sitúa un panel fotovoltaico (6). La estructura modular que soporta al colector está formada por dos subestructuras independientes: el subestructura primera de cubos en forma de cruz griega y la subestructura segunda en forma de estrella con módulos tetraédricos (1); también cuenta con un seguidor solar con corona circular para el movimiento acimutal y martinete para el cenital.

Disco solar paramétrico con estructura modular y método de montaje.

Sector técnico de la invención

La invención se encuadra en el sector técnico de la tecnología termosolar, más concretamente en los sistemas de concentradores puntuales del tipo disco parabólico, disco Stirling o disco AMTEC (alkali-metal thermal-to-electric conversión, es decir conversor térmico de energía térmica a eléctrica mediante el uso de metales alcalinos) .

Antecedentes de la invención

El principio general de la tecnología termosolar está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para calentar un fluido caloportador y generar electricidad.

La captación de energía solar y su concentración es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares. Existen principalmente dos tipos de tecnologías de concentradores: la concentración puntual y la concentración lineal. La lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.

Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico es el sistema de concentración más maduro y ahora empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel. Dentro de los concentradores puntuales se distinguen las centrales de torre y los concentradores de disco parabólicos o disco Stirling o AMTEC.

En las centrales de torre, un campo de helióstatos o espejos móviles que se orientan según la posición del sol, reflejan la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Este calor se transmite a un fluido con el objeto de generar vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador para la producción de electricidad.

Un sistema de concentrador puntual del tipo disco solar cuenta con un concentrador parabólico con seguimiento a dos ejes que refleja los rayos solares incidentes sobre un punto o foco donde se sitúa el receptor solar unido a un motor o una microturbina. En el receptor se absorbe la radiación solar concentrada originando el calentamiento de un fluido, habitualmente helio o hidrógeno en el caso de los motores Stirling, hasta una temperatura entorno a los 750ºC. Esta energía es utilizada para la generación de electricidad por el motor o la microturbina, a través de un alternador o generador que tiene conectado a su eje. Para lograr un óptimo funcionamiento, el sistema debe estar provisto de los mecanismos necesarios para poder realizar un seguimiento continuo de la posición del sol.

Así pues, los componentes principales de una planta solar de tecnología de disco Stirling son:

• Concentrador solar de alta reflectividad (denominado concentrador o reflector primario) : su misión es reflejar y concentrar sobre el receptor solar la radiación solar directa que incide sobre su superficie. La superficie especular se consigue a través de un disco parabólico espejado que se soporta en una estructura adecuada.

• Receptor solar: es un intercambiador de calor que suele estar compuesto por una serie de tubos de pequeño diámetro y paralelos por los que circula el fluido de trabajo.

• Motor Stirling o microturbina: transforma el calor absorbido en el receptor en energía mecánica, la cual a su vez es transformada en energía eléctrica por un generador acoplado directamente al eje del motor.

• El sistema de seguimiento del sol: el sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira el conjunto del sistema de manera que los rayos incidan siempre perpendiculares a la parábola (paralelas al eje óptico de ésta) .

• La estructura metálica: la misión de la estructura del colector es la de sustentar y dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

Los discos AMTEC (alkali-metal thermal-to-electric conversión) son similares a los discos Stirling pero en este caso el motor Stirling se sustituye por una nueva unidad de conversión de potencia regenerativa que permite la conversión directa de calor en electricidad mediante la utilización de un metal alcalino.

Los sistemas de disco solar han demostrado ser la tecnología con mayor eficiencia de conversión de radiación solar en energía eléctrica, con valores máximos del 30% y hasta del 25 % de promedio diario. Pese a estos excelentes resultados la tecnología no ha conseguido la madurez comercial de otras tecnologías -como centrales de torre o colectores cilindro parabólicos -debido entre otros factores a costes demasiados elevados y a estructuras muy pesadas.

Los diseños tradicionales de concentradores para discos Stirling se basan en paraboloides de revolución que concentran la luz solar en su foco. En esta configuración el motor Stirling, la microturbina, o la unidad AMTEC hacen sombra al primario penalizando ligeramente la apertura del disco.

Si no se usa reconcentrador o reflector secundario la concentración C/Cmax; con Cmax = 1/seno (semiaceptancia) se maximiza para un semiángulo de apertura para el disco de 45º alcanzando el cociente un valor de 0.25. La eficiencia de colección de este concentrador, definida como la fracción de potencia incidente dentro del ángulo de aceptancia de diseño del primario, que alcanza el receptor es del 100% y el número de reflexiones es igual a 1. Así, teniendo en cuenta que el semiángulo de aceptancia de diseño de este tipo de concentradores está en el entorno de los 10 mrad, la concentración C alcanza unos valores cercanos a 2500 soles siempre que el desbordamiento de luz solar en el receptor sea nulo, es decir, que la suma de los errores debidos a las tolerancias de fabricación de los componentes, a la precisión de los mecanismos que mueven el colector en su seguimiento del sol, a la deformación estructural y el error debido a la forma del sol, al no ser una fuente puntual, sean efectivamente menor o igual que el semiángulo de aceptancia de diseño de 10 mrad referido anteriormente.

Un inconveniente que presentan este tipo de concentradores es que el motor queda enfrentado al primario y alejado del cuerpo principal del disco, penalizando el gasto en estructura.

Es por ello que resulta atractivo incluir secundarios que permitan aumentar la relación C/Cmax, aumentar el semiángulo de aceptancia de diseño manteniendo las concentraciones C actuales, mantener la eficiencia de colección en el 100% y acercar el motor a la estructura.

Existen diferentes referencias bibliográficas que avanzan en este sentido.

En unos casos, aprovechan el hecho de que un espejo parabólico concentra la luz colimada en su foco unido a la propiedad óptica de la hipérbola que consigue que los rayos dirigidos hacia uno de los focos sean reflejados en el otro foco.

En esta línea, el documento US 4784700 A (STERN et al.) , divulga un concentrador de energía solar (las referencias se refieren a este documento) que comprende un espejo primario parabólico (12) , un espejo secundario hiperbólico

(40) enfrentado al espejo primario parabólico (12) , que capta los rayos del sol reflejados por el concentrador primario

(12) y los reconduce al receptor solar (20) que mediante el motor (22) transforma ese calor en energía eléctrica. El receptor (20/22) se sitúa en el centro del primario parabólico (12) , a diferente distancia entre el primario y el secundario dependiendo de la realización. El receptor y el primario se mueven de manera solidaria.

El documento DE 29606687 U1 (WEBER ECKHART) también describe un concentrador de energía solar con un concentrador primario (5) de geometría paraboloide y un reconcentrador secundario (7) de geometría hiperboloide. El receptor (6) se sitúa entre el primario (5) y el secundario (7) y se encuentra solidariamente unido al primario (5) .

Pese a que estos diseños sí permiten acercar el motor Stirling, la microturbina o la unidad AMTEC al cuerpo principal de la estructura, en la práctica la luz no llega perfectamente colimada al primario debido, como se ha indicado anteriormente, a las tolerancias de fabricación de los componentes, a la precisión finita de los mecanismos que mueven el colector en su seguimiento del sol, a la deformación de la estructura y a que el sol no es una fuente puntual....

1. Disco solar paramétrico con estructura modular formado por un reflector primario (1) , un reflector secundario (2) independiente del primario, un receptor (3) que se convierte en el foco de la radiación solar (4) que refleja el primario (1) , un motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) que transforma el calor solar en electricidad y una estructura (7) que sustenta el colector, donde la geometría de ambos reflectores primario (1) y secundario (2) es paramétrica y diseñada por el método SMS (Simultaneous Múltiple Surface) ignorando la sombra que el secundario produce en el primario caracterizado porque la geometría del reflector primario (1) es de tipo discontinuo y simétrico y entre el reflector primario (1) y el secundario (2) se sitúa el conjunto formado por el receptor (3) y el motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) , centrado con respecto al centro de gravedad (8) del primario (1) ; la estructura (7) que soporta el conjunto se divide en dos partes: una primera subestructura (9) que sustenta el motor (5) , el receptor (3) y soporta todos los esfuerzos del movimiento y una segunda subestructura (10) que sustenta el reflector primario (1) y es arrastrada en el movimiento por la primera subestructura (9) , así como un seguidor solar que coloca al colector, siempre orientado para recibir la mayor cantidad de radiación solar (4) .

2. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque sobre el reflector secundario (2) se sitúa un panel fotovoltaico (6) que da rigidez al reflector secundario (2) y alimenta con corriente continua los equipos eléctricos y electrónicos del colector solar.

3. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el colector solar tiene un índice de concentración C/Cmax mayor de 0.75 y una eficiencia de colección del 100%.

4. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el motor Stirling

o microturbina o unidad AMTEC (5) deja de mirar al reflector primario (1) y pasa a mirar al reflector secundario (2) posicionándose en el interior del primario (1) acercándose a la subestructura primera (9) .

5. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque la primera subestructura (9) tiene forma de cruz griega a base de cubos a la cual le sale un quinto brazo perpendicular (11) en forma de cubo para soportar el motor (5) y sustentar el receptor (3) .

6. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 5 y 2 caracterizado porque el motor (5) soporta el reflector secundario (2) y la placa fotovoltaica (6)

7. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 5 y 2 caracterizado porque la subestructura primera (9) soporta el reflector secundario (2) y la placa fotovoltaica (6) .

8. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque la segunda subestructura (10) está formada por una serie de brazos a base de módulos de geometría tetraédrica que conforman una estructura en estrella que se ancla a la primera (9) .

9. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 8 caracterizado porque la segunda subestructura (10) está formada por dieciséis brazos.

10. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 8 caracterizado porque la subestructura segunda (10) soporta el reflector secundario (2) y la placa fotovoltaica (6) .

11. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicaciones 5 y 8 caracterizado porque las dos subestructuras (9, 10) están formadas por piezas simples, apilables y de acero galvanizado en caliente.

12. Disco solar paramétrico con estructura modular según reivindicación 1 caracterizado porque el seguidor solar

o mecanismo para los movimientos se resuelve mediante una corona circular (13) que realiza el movimiento acimutal y un martinete (12) para ejecutar el movimiento cenital.

13. Método de montaje del disco solar paramétrico con estructura modular descrito en las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la secuencia de montaje del colector comprende las siguientes etapas:

• montaje de la primera subestructura (9) con la viga en forma de cruz griega;

• posicionado del receptor (3) y del motor Stirling o microturbina o unidad AMTEC o equivalente (5) , con el secundario (2) y la placa fotovoltaica (6) ;

• montaje sobre una mesa la mitad de los brazos de la subestructura segunda (10) ; terminados estos se colocan en su posición y se ultiman los otros ocho brazos apoyándose en los anteriores;

• montaje de la segunda subestructura (10) en forma de estrella que sustentará el primario;

• montaje del concentrador primario (1) sobre la subestructura segunda (2) ;

• montaje del seguidor solar, montando la corona circular (13) y el martinete (12) .