Receptor cóncavo para disco Stirling cuyos componentes principales son tubos (los cuales forman la superficie donde incide el haz de luz solar concentrada),

colectores (se sueldan a los tubos y comunican el fluido que discurre por los tubos con los depósitos), depósitos (son las zonas interiores de los colectores desde donde se distribuye el gas de trabajo a cada uno de los tubos) y cúpulas (hay de dos tipos, la encargada de alojar en su interior el regenerador y la cúpula de expansión que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor temperatura) que comprende una serie de tubos (10, 11) que salen perpendicularmente de un colector (2) y llegan perpendicularmente al otro (2) y tienen una parte recta (12) desde el interior de cada colector (2) hasta el lugar donde comienza la curvatura del tubo y una parte central (13) en forma de arco de circunferencia.

Receptor cóncavo para disco Stirling y método de fabricación.

Sector técnico de la invención

La invención se encuadra dentro la tecnología de los colectores solares y más concretamente se centra en el diseño de receptores solares para disco Stirling.

Antecedentes de la invención

Los sistemas disco Stirling son unidades de generación de electricidad que usan la radiación solar como fuente de energía. La capacidad de una sola unidad está entre 3 y 50 kWe.

Los sistemas disco Stirling transforman con alta eficiencia la radiación solar concentrada en energía eléctrica. Los componentes esenciales del sistema son:

• Concentrador solar parabólico.

• Intercambiador de calor solar (receptor solar).

• Motor Stirling con generador eléctrico.

• Sistema de seguimiento.

El modo de funcionamiento de un sistema de disco Stirling es el siguiente: el concentrador refleja la radiación solar hacia el receptor que está situado en el punto focal del concentrador. La radiación solar se absorbe en el receptor y este calienta el gas (helio o hidrógeno) del motor Stirling a temperaturas que rondan los 650ºC. Este calor se convierte en energía mecánica en el motor Stirling. Un generador eléctrico convierte esta energía mecánica en electricidad. Para conseguir que la radiación reflejada incida en el punto focal durante todo el día, un sistema de seguimiento solar mueve el concentrador continuamente para seguir la trayectoria del sol.

La tecnología de los receptores solares se desarrolla en función del tipo de proceso en el que se vaya a utilizar, es decir, el tipo de planta y el ciclo utilizado. La invención que se presenta se refiere a la planta de recepción solar con disco y el ciclo es el de Stirling. Por supuesto, es interesante conocer los antecedentes y desarrollos previos utilizados en aplicaciones solares. Las tecnologías utilizadas para plantas solares de receptores de torre suponen un referente de aplicación.

En particular, para el disco parabólico Stirling se utilizan dos tipologías de sistemas receptores:

• Sistemas receptores externos.

• Sistemas receptores de cavidad.

Los receptores externos tienen superficies de absorción en vista directa con los concentradores y dependen de la absorción directa de la radiación. Los receptores de cavidad tienen, en cambio, una apertura a través de la cual pasa la radiación concentrada hasta alcanzar la superficie del receptor. La cavidad asegura que la mayor parte de la radiación que entra sea absorbida por la superficie interna del receptor.

Los receptores más usados para los sistemas disco Stirling son los receptores de cavidad. El receptor se sitúa detrás de la apertura para reducir la cantidad de calor perdido y para disminuir la intensidad del flujo concentrado en su superficie. La radiación concentrada que entra a través de la apertura del receptor se difunde dentro de la cavidad. La mayor parte de la energía es absorbida directamente por el receptor, y prácticamente la totalidad de la restante es reflejada o re-irradiada dentro de la cavidad para ser posteriormente absorbida.

En un receptor de cavidad, se han identificado dos métodos para transferir la radiación solar absorbida al fluido de trabajo del motor Stirling.

El primer método consiste en utilizar un receptor de tubos directamente iluminados donde pequeños tubos, a través de los cuales circula el fluido de trabajo del motor, son situados directamente en la región donde incide el flujo solar concentrado. Los tubos forman la superficie del receptor. De este modo el gas de trabajo se calienta a su paso por el interior de los tubos calentados por la radiación solar.

El segundo método, el de reflujo, usa un metal líquido como fluido intermedio de transferencia de calor. El metal líquido se vaporiza en la superficie posterior del receptor y se condensa en los tubos por los que circula el fluido de trabajo del motor. Es decir, absorbe el calor del material que forma el receptor (que está caliente por la exposición a la radiación solar) y después lo cede a los tubos por los que circula el gas de trabajo del motor. Este segundo tipo de receptor se llama de reflujo porque el vapor se condensa y vuelve para ser evaporado de nuevo.

Un factor importante del diseño del receptor es la exposición a condiciones severas de funcionamiento unido a condiciones cíclicas. La alta temperatura es el factor más importante el cual, unido al funcionamiento en ciclos, da lugar a la fatiga térmica de los componentes. La fatiga térmica está causada por los ciclos de temperatura, desde la temperatura ambiente a la de operación, tanto en los arranques y paradas como durante los momentos de nubosidad. Este tipo de ciclo puede causar fallos prematuros del receptor. Dentro del sistema receptor-cavidad, es especialmente sensible el componente receptor. El diseño de receptor de tubos, que incorpora paredes finas y opera a temperaturas uniformes durante los transitorios, suele tener menos problemas con la fatiga térmica. La fluencia a largo plazo de los materiales del receptor y la oxidación son consideraciones importantes para elegir los materiales. Se suelen utilizar superaleaciones de níquel y cromo (Inconel ®), aceros inoxidables, aleaciones de níquel y titanio, níquel y cobalto, etcétera.

Existen en el estado de la técnica numerosos documentos que desarrollan distintos receptores o aspectos de los mismos. A continuación se destacan algunos de ellos:

- DE4433203 1996 HTC Solar Solar heater head for generation of electric current from solar energy (Intercambiador de calor solar para generación de corriente eléctrica) Absorbedor con material altamente conductivo y ennegrecido (oxidado) para homogeneizar la concentración de calor. Material preferiblemente de cobre, que es soldado a los tubos del intercambiador con acero inoxidable de altas prestaciones (como una camisa del tubo).

- US2002059798 2002 Midwest Research Institute Dish/stirling hybrid-receiver (Receptor híbrido para disco Stirling) Sistema híbrido de receptor con "heat pipe" de sodio. Estructura del elemento de polvo de níquel. Describe integración con sistema de quemador (híbrido).

- US6735946 2004 Boeing Direct illumination free pistón stirling engine solar cavity (Cavidad de motor Stirling con pistón directamente iluminado). Pistón directamente iluminado. Sin intercambiador de tubos. Disposición de pequeños pistones de forma concéntrica al haz solar. El receptor es un elemento metálico de material altamente conductor, como cobre, níquel o grafito. Alternativa al diseño es utilizar "heat pipes".

- US6739136 2003 Boulder, CO Arvada, CO Combustión system for hybrid solar fossil fuel receiver Sistema de combustión para un receptor solar híbrido que comprende un premezclador que combina aire y combustible para formar la mezcla a quemar. Hay un intercambiador de calor asociado y en contacto con la cámara de combustión. Este intercambiador de calor proporciona el calor para el receptor híbrido cuando no se puede utilizar el calor del sol como fuente de energía.

- US6818818 2004 Plano, TX Concentrating solar energy receiver. Describe un sistema compuesto por un concentrador parabólico de alta reflectividad para reflejar los rayos del sol en su lado cóncavo y un módulo de conversión al cual llega la radiación solar concentrada. En este módulo de conversión hay dos receptores distintos; un receptor fotovoltaico y una superficie de recepción acoplada a un motor térmico para producir electricidad.

- EP0996821 2000 STM Corporation Heat engine heater assembly. Se describe un equipo diseñado para utilizar tanto la radiación solar como el calor producido por la combustión de gas natural, como fuente de energía para un motor térmico. Una carcasa que forma el receptor permite la entrada de radiación solar hasta llegar al absorbedor. Series de tubos exteriores e interiores a la cámara del receptor absorben la radiación solar y transmiten calor al fluido que circula por su interior. Un quemador dentro de la cámara produce gases de combustión que también calientan estos tubos.

- US4665700 1987 STM United Stirling AB Hot gas engine heater head. El objetivo del invento es proporcionar una cabeza calentadora en la cual los regeneradores estén conectados a los cilindros por tubos que rodean a esos mismos cilindros.

- US4602614 1986 United Stirling, Inc. Hybrid solar/combustion powered receiver Es un receptor mejorado que incluye un intercambiador de...

1. Receptor cóncavo para disco Stirling cuyos componentes principales son los tubos (1), en cuya superficie incide el haz de luz solar concentrada, los colectores (2) en los cuales se sueldan los extremos de los tubos (1) y comunican el fluido que discurre por los tubos con los depósitos, los depósitos que son las zonas interiores de los colectores (2) y desde donde se distribuye el fluido de trabajo a cada uno de los tubos (1) y las cúpulas, tanto la cúpula (4) encargada de alojar en su interior el regenerador como la cúpula de expansión (3) que es la zona donde el fluido de trabajo se encuentra a una mayor temperatura, caracterizado porque los tubos (1) salen perpendicularmente de un colector (2) y llegan perpendicularmente al otro (2) y tienen una parte recta (12) que discurre desde el interior de cada colector (2) hasta el lugar donde comienza la curvatura del tubo y una parte central (13) en forma de arco de circunferencia.

2. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (1) no tienen ninguna zona sombreada por otros tubos.

3. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque la parte recta (12) de los tubos (1) es de unos 40 mm y la parte central (13) de cada tubo es un arco de circunferencia de 40º.

4. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (1) se unen a los colectores (2) mediante puntos de soldadura.

5. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 4 caracterizado porque el ángulo que forman los tubos (1) con la horizontal, a la altura de la soldadura, es de 20º y el ángulo que forman los colectores (2) y la horizontal será también 20º.

6. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 4 caracterizado porque si se mira la superficie formada por los tubos (1) desde la dirección en la que incide la radiación solar, el hueco entre un tubo y el siguiente es tal que la distancia entre puntos de soldadura (22) de los colectores (2) es lo suficientemente grande como para facilitar la operación de soldadura.

7. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 6 caracterizado porque el hueco entre un tubo y el siguiente es de 1.15 mm.

8. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque existen dos tipos de tubos (10, 11) siendo la única diferencia entre los dos tipos el valor del radio del arco de circunferencia central (13).

9. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque el primer tipo de tubos (10) tienen un radio del arco de la circunferencia de 315 mm y el segundo tipo (11) de 319 mm.

10. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque los tubos de un tipo (10) se sueldan al colector (2) en columna formando una hilera vertical (20) de puntos de soldadura (22), siendo esta hilera (20) paralela a la hilera (21) de puntos de soldadura (22) en la que se sueldan los tubos del segundo tipo (11) al colector (2).

11. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los materiales utilizados son aleaciones a base de níquel-cromo (como los comercializados Inconel ® 625 o Multimet ®).

12. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (1) a utilizar tienen un diámetro exterior de 3 mm. y un espesor 0.5 mm y los colectores (2) son de chapa de 3 mm.

13. Receptor cóncavo para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque un casquillo o segmento de tubo va unido por soldadura, sinterizado u otros métodos, a cada uno de los tubos (1) del receptor en la zona de unión con los colectores (2), sirviendo como transición entre las dos zonas de rigideces distintas.

14. Método de fabricación del receptor cóncavo para disco Stirling descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:

- Recepción de tubos

- Doblado de tubos

- Ensamblaje de tubos a colector con soldadura por horno

- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar los depósitos (realizados como unión de chapas) a los colectores

- Soldadura TIG/plasma/láser para soldar las cúpulas (realizadas a partir de un bloque de material) a los depósitos.