Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado,

formado por un sistema primario compuesto por una serie de espejos situados en varias filas paralelas y con soportes móviles para su orientación y un sistema secundario que comprende un reconcentrador tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator) con tubo de vacío. La geometría del reconcentrador está optimizada para minimizar las pérdidas ópticas y tiene perfil en forma de "m". El tubo de vacío compuesto por un tubo absorbedor con fluido caloportador en su interior y rodeado exteriormente por un tubo de vidrio con vacío intermedio.

Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado.

Sector técnico de la invención

La invención se encuadra en el sector técnico de la tecnología solar, más concretamente en los sistemas de concentración lineales tipo Fresnel.

Antecedentes de la invención

El principio general de la tecnología solar está basado 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 solares. 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 los concentradores puntuales se distinguen los concentradores de disco parabólicos y las centrales de torre. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro y ahora empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel (CLF), como el de nuestra invención.

La tecnología de CLF supone una alternativa a la tecnología de los CCP. Las diferencias fundamentales son dos; por un lado el absorbedor queda inmóvil en el espacio e independizado del colector que es el que realiza el seguimiento del sol, por otro lado se usa un reconcentrador secundario unido al absorbedor. El reconcentrador tiene un doble efecto positivo: permite aumentar la superficie colectora evitando que los rayos se escapen y permite aumentar la concentración del campo primario. Además, este tipo de colector permite un uso más compacto del terreno al quedar las filas muy próximas unas de otras. Eventualmente, el terreno bajo los campos de espejos puede utilizarse para fines ajenos a la producción de energía. Las filas tienen un tamaño pequeño en comparación con un CCP por lo que las cargas de viento son menores y las estructuras son más livianas. En contrapartida, las filas se dan sombra, se bloquean ópticamente unas a otras y aparece un efecto coseno transversal y longitudinal que reduce el rendimiento óptico del conjunto si lo comparamos con un CCP. El desafío para los CLFs es tener un coste inferior a un CCP que compense estas pérdidas ópticas.

Los colectores Fresnel están compuestos por un sistema primario y un secundario. El primario lo forman una serie de filas paralelas de espejos reflectores, planos o ligeramente curvados, con estructuras móviles que son los que se encargan de emitir y orientar la radiación solar al secundario.

La radiación llega a la apertura del secundario y es redireccionada por unos espejos a un "tubo" focal imaginario que es donde se coloca el tubo absorbedor.

Este sistema secundario comprende un captador lineal invertido y elevado sobre el campo de espejos a varios metros de altura, el cual se encarga de reconcentrar la radiación solar que emite el primario y direccionarla hacia un tubo absorbedor.

Hasta ahora, los secundarios existentes consisten en un tubo o vahos tubos de acero simples, con recubrimientos absorbentes y rodeados de un reconcentrador de chapa metálica o de espejos de geometría sencilla.

Por los tubos de acero circula el fluido caloportador. Este fluido se calienta y se utilizará posteriormente para hacer funcionar una turbina y producir electricidad.

Sin embargo; estos desarrollos plantean una serie de inconvenientes; en unos casos no se aprovecha el efecto de reconcentración que genera un CPC en altura quedando como único efecto de concentración el que aporta la configuración de los espejos primarios. Esto quiere decir que el área absorbedora es más alta y que la eficiencia térmica es, en consecuencia, más baja. En otros casos, las pérdidas térmicas al exterior por convección y por radiación deben reducirse con la inclusión de calorifugados en los espejos, de tapas transparentes antirreflectantes que cierren el secundario y minimicen las pérdidas convectivas, y de sistemas mecánicos de absorción de dilataciones relativas de los espejos y del tubo absorbedor respecto a la estructura soporte. Todo ello complica la geometría y la concepción del secundario y encarece el producto final.

Por lo tanto, la presente invención se centra en el desarrollo de una planta de concentración solar tipo Fresnel pero con un secundario optimizado que resuelve los problemas técnicos señalados.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a una planta de concentración solar tipo Fresnel la cual se compone de un sistema primario y de un sistema secundario donde el secundario se optimiza para resolver los problemas anteriormente mencionados.

El sistema primario lo forma un campo de espejos primarios, es decir, una serie de filas paralelas de espejos ligeramente curvados con sus correspondientes mecanismos de orientación. Estos espejos son los encargados de captar la mayor cantidad de radiación solar posible en cada momento del día y redireccionarla al secundario. La radiación llega a la apertura del secundario y los espejos del secundario la reconcentran en el tubo absorbedor.

El sistema primario tiene seguidores solares con un grado de libertad de manera que el colector puede tener orientación Norte-Sur y los seguidores hacer el recorrido Este-Oeste o el colector estar orientado Este-Oeste con seguimiento de los espejos primarios Norte-Sur.

Además el secundario podrá estar desplazado respecto al primario en la dirección longitudinal para minimizar las pérdidas ópticas de borde en función de la latitud del lugar en el que se instale.

Además el primario, el secundario o ambos podrán estar inclinados respecto a la horizontal en función de la latitud del lugar.

En cuanto al sistema secundario está verdaderamente optimizado para superar los inconvenientes del Estado de la Técnica actual. En el caso de nuestra invención el secundario estaría formado por un concentrador lineal tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator) en forma de "m" que se podrá construir a partir de espejos, a partir de chapa metálica, o a partir de matriz rígida conformable con espejado tipo adhesivo.

A la hora de diseñar el secundario, en la presente invención, se tienen en cuenta cuatro factores:

• El primero es utilizar un único tubo absorbedor de acero. El hecho de utilizar un único tubo y además de perfil circular permite minimizar la superficie de intercambio de calor y por lo tanto las pérdidas térmicas.

• El segundo es minimizar el diámetro del tubo para maximizar la relación de concentración geométrica definida como área de espejo primario a área de absorbedor.

• El tercero es la inclusión de un reconcentrador secundario tipo CPC con una geometría optimizada termodinámicamente que permita redireccionar los rayos de luz que vienen del campo primario, evitando que se escapen y maximizando la relación de concentración como se ha explicado.

Es necesario indicar que conocido el ancho del campo primario, y el semi ángulo de aceptancia del Fresnel, quedan definidos el diámetro del tubo absorbedor -si su perfil es cilíndrico-, y el perfil de CPC que permite alcanzar la concentración límite termodinámica o concentración máxima anteriormente referida. El cálculo de la ecuación polar que define el reconcentrador tipo CPC en el caso de que el perfil del absorbedor de diseño no sea cilíndrico es uno de los puntos clave dentro de la innovación que se presenta.

• El cuarto factor consiste en encerrar el tubo absorbedor por el que circula el fluido caloportador dentro de un tubo de vidrio, dejando en vacío el espacio intermedio. Todo ello se rodea del reconcentrador y se situará de forma que haga contacto con el vértice de la "m".

El objetivo de utilizar un tubo con vacío es reducir aún más las pérdidas térmicas por convección así como limitar el calentamiento de los espejos concentradores que rodean el tubo. De esta manera, aunque aumenta el coste en tubos, puesto que un tubo con vacío es más caro que un tubo de acero sencillo, se está simplificando el diseño del secundario y se está reduciendo el coste en calorifugados, aislamientos, sistemas mecánicos para absorción de dilataciones de espejos... a la vez que se mejora drásticamente...

1. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado, caracterizado porque comprende un sistema primario (1) compuesto por una serie de espejos curvados o planos (3) situados en varías filas paralelas y con soportes móviles (5) para su orientación y un sistema secundario (2) que comprende un reconcentrador (6) tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator) en forma de "m" de ecuación geométrica optimizada para minimizar las pérdidas ópticas, con tubo de vacío (7), compuesto el tubo de vacío por un tubo absorbedor (8) con fluido caloportador (9) en su interior y rodeado exteriormente por un tubo de vidrio (10) con vacío intermedio (11); la geometría del tubo de vacío está optimizada y cumple las características de continuidad, concavidad y de estar en contacto con el vértice del reconcentrador.

2. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema primario (1) tiene seguidores solares (5) con un grado de libertad de manera que el secundario (2) puede tener orientación Norte-Sur y los seguidores (5) hacer el recorrido Este-Oeste o el secundario (2) estar orientado Este-Oeste con seguimiento de los espejos primarios (3) Norte-Sur; en ambos casos el campo primario, el secundario o ambos, podrán regular su inclinación respecto a la horizontal en función de la latitud del lugar.

3. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el reconcentrador (6) tipo CPC que tiene el perfil en forma de "m" se podrá construir a partir de espejos templados, deformados por gravedad o deformados elásticamente, a partir de chapa metálica o a partir de matriz rígida conformable con espejado tipo adhesivo.

4. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el reconcentrador (6) tipo CPC se corta en su parte superior y se espeja el tramo (12) del tubo de vidrio (10) que sobresale.

5. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tubo de vidrio (10) se desplaza hacia abajo hasta hacer contacto con el tubo absorbedor (8).

6. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque al tubo de vidrio (10) tiene una sección circular achaflanada por su parte superior.

7. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque se le añaden una o varias aletas (13) al tubo absorbedor que impiden que se escape la radiación solar por el hueco entre el tubo de vidrio (10) y el tubo absorbedor (8).

8. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tubo absorbedor (8) tiene una geometría circular en su parte baja y con un ángulo en la parte alta (forma de gota) estando en contacto el vértice con el tubo de vidrio (10) y este con el reconcentrador (6).

9. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 1 caracterizado porque el reconcentrador (6) está diseñado según la configuración de un supuesto tubo absorbedor en forma de gota (8) pero se mantiene el tubo absorbedor con la sección circular y situado en su posición normal; en este caso se pierde el contacto con el reconcentrador.

10. Planta de concentración solar tipo Fresnel con reconcentrador secundario optimizado según reivindicación 9 donde al tubo absorbedor se le suelda una única aleta (14).