Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre rodeada de un campo de heliostatos los cuales reflejan la radiación solar a dicha torre.

El método distribución de dichos heliostatos consiste en imitar los sistemas que se encuentran en la naturaleza para maximizar la captación de luz (semillas de plantas, hojas o pétalos) y que viene descrito matemáticamente por espirales de Fermat en un número perteneciente a la serie de Fibonacci, mediante la colocación, en coordenadas polares, de cada heliostato según un radio y un ángulo definido por

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- rn distancia desde la torre (2) hasta la posición del helióstato (3),

- {ze}n el ángulo que forman el radio rn con el radio rn-1,- n número del heliostato (3) que deseamos emplazar,

- cn una constante que depende de cada emplazamiento y corresponde al índice de compacidad de los heliostatos (3) en la planta,

- {ta} el límite irracional de la sección áurea, es decir,

Método de distribución de heliostatos en planta de torre.

Sector técnico de la invención

La presente invención se engloba dentro del sector de generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar mediante una planta del tipo de receptor central de torre.

El objeto de la invención consiste en conseguir un óptimo rendimiento de la planta termoeléctrica mediante la distribución selectiva de los heliostatos con respecto de la torre receptora.

Antecedentes de la invención

Una planta solar termoeléctrica es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica.

Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de más de 300ºC, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se lleva a cabo por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato.

Una planta de torre -también conocida como sistema de receptor central-está compuesta por un sistema concentrador o campo de heliostatos, que capta y concentra la componente directa de la radiación solar sobre un receptor -donde se produce la conversión de la energía radiante en energía térmica-que suele instalarse en la parte superior de una torre. El fluido de trabajo puede ser, entre otros, aire, vapor de agua, sodio fundido o sales fundidas, según la tecnología escogida. En las de vapor de agua, este mueve directamente una turbina. En los otros, el fluido transporta el calor a un generador de vapor de agua, con el que se hace funcionar una turbina que mueve al generador eléctrico.

Todos estos tipos de plantas disponen de una configuración en la que los heliostatos están distribuidos en función del tamaño y de la distancia a la torre, siguiendo ciertas disposiciones habitualmente radiales desde la torre y conocidas como “corn field” (“campo de maíz”) y “radial staggered” (“tres bolillos”) . Dichas configuraciones tienen la desventaja de que se producen sombras y bloqueos entre los heliostatos vecinos y por lo tanto se necesita eliminar alguno de ellos con el fin de minimizar este efecto. Además este tipo de configuraciones cuentan con líneas de transición o zonas vacías de heliostatos que provocan un menor aprovechamiento del terreno.

Descripción de la invención

El objeto de la invención es la aplicación de la disposición que presentan las hojas, tallos y semillas de las plantas a la distribución específica de los heliostatos en el campo solar. A dicha disposición se la denomina filotaxis y es característica de cada especie de planta. Su función es que dichas hojas, tallos y semillas estén expuestos al sol con el mínimo de interferencias posibles por parte de sus compañeras maximizando la captación de luz.

Esta distribución específica permite que los heliostatos puedan ser colocados de tal forma que se minimicen las pérdidas ópticas producidas por las sombras y bloqueos entre heliostatos vecinos, atenuación atmosférica y aumento de la interceptación provocado por las grandes distancias entre los heliostatos y la torre, optimizando así el aprovechamiento de la radiación solar al poder maximizar la densidad de heliostatos en el campo solar.

La sección áurea o “proporción divina” (empleada en el clasicismo griego) resulta de la división de una cantidad lineal (magnitud de distancia, duración, etc., abstraíbles mediante la longitud de un segmento) de manera que la relación entre la longitud total y la parte más larga sea idéntica a la que se da entre la parte más larga y la más corta. Resuelta la ecuación necesaria (a/b = b/ (a+b) ) , el valor de la sección larga (sobre un segmento de longitud 1) es de

0.618 aproximadamente (en realidad es un número irracional) , y la de la más corta sobre 0.382.

Este valor coincide con el límite al que tiende la relación entre dos términos consecutivos de la serie de Fibonacci.

La disposición de los diferentes elementos o heliostatos de una planta está descrita por una regularidad en la divergencia del ángulo formado por los sucesivos elementos dispuestos. Este ángulo divide un círculo completo en una fracción que coincide con los números de la serie de Fibonacci (1/2, 1/3, 2/5, 3/8, 5/13...) que convergen al límite irracional de la sección áurea 0.382..., correspondiente al ángulo de 137.5... grados.

Para la determinación de dicho ángulo y el posicionamiento de los heliostatos en la planta termoeléctrica, el sistema objeto de la invención se basa en el emplazamiento de los heliostatos siguiendo un patrón marcado por la disposiciónque presentan las hojas, tallos y semillas. Éstos vienen descritos por las siguientes ecuaciones que definen espirales bidimensionales de Fermat, también llamada espiral parabólica, en un número perteneciente a la serie de Fibonacci.

Donde:

Siendo:

• n ∈ n número natural que corresponde con el número de heliostato que deseamos emplazar en un área determinada.

• rn ∈ Q, rn > 0 número racional mayor que cero y que se corresponde con el radio o la distancia a la que cada heliostato será situado en el campo solar con respecto al centro del eje de coordenadas de la torre.

• θn ∈ [0, 2π] correspondiendo al ángulo de emplazamiento de cada heliostato en el campo solar.

• τ es el límite irracional de la sección áurea 0.382..., correspondiente al ángulo de 137.5... grados. Siendo el límite irracional de la sección áurea:

• xn la coordenada polar en eje X del heliostato n. yn la coordenada polar en eje Y del heliostato n.

• cn es un parámetro que corresponde al índice de compacidad de los heliostatos en el campo solar. Este parámetro puede ser constante para todos los heliostatos o bien ser diferente para cada uno de ellos, consiguiendo optimizar el campo en función de las siguientes variables:

◦ h ∈ Q, h > 0 número racional mayor que cero y corresponde a la altura de la torre.

◦ d ∈ Q, d > 0 número racional mayor que cero y corresponde a la distancia mínima a la que deben emplazarse los heliostatos para evitar el contacto entre ellos.

◦

corresponde a la latitud en la que el campo solar será emplazado.

◦ θn ∈ [0, 2π] corresponde al ángulo de emplazamiento de cada heliostato.

La planta termoeléctrica configurada mediante esta disposición de heliostatos permite:

• Obtener un mayor rendimiento del campo de heliostatos debido a:

- la minimización de las pérdidas por sombras y bloqueos, al encontrarse los heliostatos en un posicionamiento óptimo.

- disminución de la atenuación atmosférica y aumento de la interceptación por emplazar más densamente los heliostatos.

• Lograr un menor coste:

- El mayor rendimiento a causa de la disminución de pérdidas, incrementa la producción anual y ahorra heliostatos.

- La menor superficie utilizada por emplazamiento más denso, conlleva una menor distancia entre he

liostatos. Consecuentemente hay una reducción considerable en la distancia a cablear y en la necesaria

construcción de caminos para acceder a cada uno de los heliostatos para su limpieza y mantenimiento.

- Evitar el uso de un software complejo, incluido el personal especializado. Esto deja de ser necesario con la presente invención, mucho más sencilla.

- Se evita realizar una optimización intensa hasta conseguir un posicionamiento óptimo que implica un ahorro de tiempo y recursos.

1. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) para la generación de energía eléctrica a partir de energía solar, de las que comprenden una torre receptora (2) rodeada de un campo de heliostatos (3) los cuales reflejan la radiación solar a dicha torre (2) , caracterizado porque el método de distribución de dichos heliostatos (3) consiste en imitar los sistemas que se encuentran en la naturaleza para la captación de luz (semillas de plantas, hojas o pétalos) mediante la colocación de cada heliostato según un radio y un ángulo definido, en coordenadas polares, por:

• n número del heliostato (3) que deseamos emplazar,

• rn distancia desde la torre (2) hasta la posición del heliostato n (3) ,

• θn el ángulo que forman el radio rn con el radio rn−1,

• cn parámetro que corresponde al índice de compacidad de los heliostatos (3) en la planta,

• τ el límite irracional de la sección áurea, es decir,

2. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 1 caracterizado porque cn o el índice de compacidad de los heliostatos (3) en la planta es una constante idéntica para todos los heliostatos del campo.

3. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 1 caracterizado porque cn o el índice de compacidad de los heliostatos (3) en la planta es diferente para cada uno de ellos, consiguiendo optimizar el campo en función de las siguientes variables:

• h ∈ Q, h > 0 número racional mayor que cero y corresponde a la altura de la torre.

• d ∈ Q, d > 0 número racional mayor que cero y corresponde a la distancia mínima a la que deben emplazarse los heliostatos para evitar el contacto entre ellos.

•

corresponde a la latitud en la que el campo solar sera emplazado.

• θn ∈ [0, 2π] corresponde al ángulo de emplazamiento de cada helióstato.

4. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 3 caracterizado porque cn se puede calcular como:

• d ∈ Q, d > 0 número racional mayor que cero. Corresponde a la distancia mínima a la que deben emplazarse los heliostatos para evitar el contacto entre ellos.

• . Corresponde a la latitud en la que el campo solar será emplazado.

• θn ∈ [0, 2π], Corresponde al ángulo de emplazamiento de cada heliostato.

• Ly θn no deben ser cero al mismo tiempo.

• k1, k2, k3 ∈ Q. Constantes racionales mayores que cero.

5. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 1 caracterizado porque θn tiene unos valores comprendidos entre0y2π para todo n.

6. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 1 caracterizado porque evita los bloqueos y las sombras entre heliostatos (3) sin tener líneas de transición entre ellos y con la máxima densidad de heliostatos posible.

7. Método de distribución de heliostatos en planta solar de torre (1) según reivindicación 1 caracterizado porque está descrito matemáticamente por la colocación de los heliostatos siguiendo la forma de las espirales parabólicas o de Fermat, las cuales se generan en números de Fibonacci, o lo que es lo mismo, el ángulo en el que se dispone cada una de las sucesivas espirales tiende al número áureo.