RECEPTOR SOLAR DE ANCHURA VARIABLE Y PROCEDIMIENTO DE VARIACIÓN DE LA ANCHURA.

Receptor de tubos (1) paralelos, cuyos extremos dan a cabeceras (13,

83) de ramales, con sus válvulas, que conducen a, al menos, dos tipos de colectores, da altas (17, 86) y bajas (18, 87) prestaciones. Las válvulas del tubo (12, 14) y de las cabeceras están habitualmente cerradas, y sólo se abren por encima de un umbral de la intensidad de radiación, seleccionando el nivel de prestaciones en función de dicha intensidad, según el cual se abren las válvulas de baja o de alta, integrando dicho tubo en una plancha de baja o de alta radiación, circulando el fluido calorífero según la apertura de las macro-válvulas que afectan a la totalidad de cada plancha, adaptando la anchura de cada plancha del receptor a las condiciones en las que llega la radiación

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201100234.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
UNED
.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: PIERA CARRETE,MIREIA, MARTINEZ-VAL PENALOSA,JOSE MARIA, ABANADES VELASCO,ALBERTO, MUÑOZ ANTON,JAVIER, AMENGUAL MATAS,RAFAEL RUBEN, MONTES PITA,MARIA JOSE, ROVIRA DE ANTONIO,ANTONIO, VALDES DEL FRESNO,MANUEL, Ramos Millan,Alberto, ABBAS CÁMARA,RUBÉN.

Fecha de Solicitud: 1 de Marzo de 2011.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 7 de Febrero de 2012.

Clasificación PCT:

  • F24J2/06 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F24 CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION.F24J PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN OTROS LUGARES (sustancias a este efecto C09K 5/00; motores u otros mecanismos para producir una potencia mecánica a partir del calor, véanse las clases apropiadas, p. ej. F03G para utilización del calor natural). › F24J 2/00 Utilización del calor solar, p. ej. colectores de calor solar (destilación o evaporación del agua utilizando calor solar C02F 1/14; aspectos de la cubierta del tejado relativos a los dispositivos colectores de energía E04D 13/18; dispositivos que producen una potencia mecánica a partir de energía solar F03G 6/00; dispositivos semiconductores especialmente adaptados para convertir la energía solar en energía eléctrica H01L 31/00; células fotovoltaicas [FV] que incluyen medios directamente asociados con la célula FV para utilizar energía calorífica H01L 31/0525; módulos FV que incluyen medios asociados con el módulo FV para utilizar la energía calorífica H02S 40/44). › con elementos de concentración (elementos o sistemas ópticos en sí G02B).
  • F24J2/07 F24J 2/00 […] › Colectores que trabajan a alta temperatura, p. ej. para centrales solares.
  • F24J2/40 F24J 2/00 […] › Disposiciones de control.

Fragmento de la descripción:

Receptor solar de anchura variable y procedimiento de variación de la anchura.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación original, reflejada por una serie de espejos orientables, que giran alrededor de uno o dos ejes en función de la topología general de la planta; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor.

Este receptor tiene una superficie o cara activa con unas propiedades ópticas y térmicas adecuadas, consistentes en tener una alta absortividad a la radiación solar, y una baja emisividad propia. Esa cara activa está conectada térmicamente con un conjunto de tubos o conductos paralelos, por cuyo interior circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, que será una aplicación térmica, y en particular un ciclo termodinámico, que se aplicará a una central termo-solar de alta temperatura, usualmente dedicada a la generación de electricidad. La propia superficie exterior de los tubos en la que incide la radiación puede ser la cara activa del receptor, aunque son posibles otras configuraciones. En todo caso, la estructura geométrica y térmica del receptor es un factor clave para conseguir el objetivo buscado, que requiere una alta captación de calor por parte de dicho fluido, denominado calorífero, para que el fluido alcance las temperaturas requeridas por la aplicación térmica.

Antecedentes de la invención

Esta invención está relacionada con otras dos invenciones, cuyo primer inventor es el mismo primer inventor de esta solicitud. La primera de ellas es la patente española ES 2 321 576 B2, consistente en un receptor de dilatación y presión compensadas, idóneo para recibir radiación en una superficie tipo fachada, aunque de geometría adaptable al campo de espejos del que recibe la radiación.

La segunda invención es otra solicitud del mismo titular y los mismos inventores que ésta, nº de publicación 2 345 759, constituido por un colector de dilatación y presión compensadas, cuyos tubos van agrupados en haces independientes, central y adyacentes, aislados térmicamente entre sí longitudinalmente, circulando el fluido calorífero primero por ambos haces adyacentes en paralelo, para ser inyectado a continuación en el haz central; pero no aborda la problemática de que la anchura de la mancha solar sobre el receptor varía a lo largo del día y estacionalmente, ni la necesidad de revertir en algunos casos el flujo de fluido, precisamente para adaptar la anchura efectiva del receptor a la anchura real de la mancha solar de la concentración de la radiación en un momento dado.

Por otro lado, la solicitud internacional WO 2009/029277 A2 plantea una configuración Fresnel convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones numéricas de montaje, y con reivindicaciones muy genéricas; tratando la configuración de circuitos hidráulicos en el receptor multitubo, aunque sin agrupar éstos en haces con función diferente por recibir diferentes niveles de intensidad, pues no tiene en cuenta la apertura natural de la luz solar; y la WO 2009/023063 A2 trata de un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación, pero igualmente no aborda la agrupación por haces, para efectuar un calentamiento progresivo del fluido calorífero, sin generación innecesaria de entropía. En ninguna de las patentes o solicitudes citadas se menciona la posibilidad de ajustar la anchura del receptor a lo pertinente en un momento dado, y por tanto no se propone ninguna solución ni configuración en ese sentido; que es la esencia de esta invención.

Problema técnico a resolver

Un hecho físico fundamental es que la radiación solar no está perfectamente colimada, sino que procede del disco solar, que tiene una apertura óptica desde la Tierra que vale 32' (minutos sexagesimales) siendo su intensidad prácticamente uniforme en todo el disco, como corresponde a radiación emitida de forma perfectamente difusa desde una superficie esférica. Esta apertura significa que la radiación incidente en un punto de la superficie terrestre no está compuesta simplemente de un rayo procedente del sol, sino que es un cono de rayos cuyo ángulo cónico vale precisamente los 32' antes mencionados, equivalentes a 0,0093 radianes (ó 1/107,5 radianes).

Más aún, cuando en la cara activa del receptor se superponen las radiaciones reflejadas por varios espejos, con objeto de incrementar la intensidad de la radiación, que se expresa en W/m2 en el sistema SI, la distribución superficial de la intensidad muestra importantes variaciones, pues es mayor en la zona central, hacia la cual se enfocan los haces de luz reflejada, y es menor hacia la periferia de la cara activa del receptor, donde la intensidad decrece como las alas de una curva de campana.

A esto se debe añadir que la incidencia de la radiación reflejada desde cada espejo sobre el receptor varía a lo largo del día y de una estación a otra, lo cual hace que esa distribución superficial de radiación varíe de anchura, entendiendo por ésta la dimensión transversal a la del sentido de circulación del fluido calorífero.

Así pues, el problema técnico que esta invención viene a resolver es utilizar la radiación reflejada por un dispositivo concentrador de espejos longitudinales, de tal modo que se consigan altos valores en los rendimientos energético y exergético en la captación de la energía de la radiación solar por parte del fluido calorífero, a pesar de las diferencias de intensidad en la radiación recibida en la parte central y en la periférica de la cara activa del receptor, y sobre todo, mantener esa optimización a pesar de las variaciones de la apertura óptica del haz global de radiación incidente en el receptor, causadas por las variaciones diurnas y estacionales en la geometría de iluminación solar en relación al campo de espejos, y de éstos respecto del receptor.

Explicación de la invención

La invención consiste en configurar el receptor de energía solar térmica mediante un conjunto de tubos, o de haces de tubos hidráulicamente unificados, teniendo cada haz unificado una única válvula de entrada para todos sus tubos y una única válvula de salida; siendo todos los tubos y haces paralelos entre sí, contenidos dentro de un cajón-colector de dilatación y presión compensadas, o en otro receptáculo apropiado para alojar los citados tubos, absorbiéndose la radiación térmica en la cara o superficie activa donde incide la radiación, que es parte de la propia superficie exterior de los tubos, o es un material superficial conectado térmicamente con la superficie de los tubos, siendo lo novedoso el que cada tubo, o haz hidráulicamente unificado de tubos, está provisto de una válvula en cada extremo y tiene además unas cabeceras en cada uno de sus extremos, que están provistas de ramales con válvulas que habitualmente están cerradas, así como las válvulas de cada extremo que también están habitualmente cerradas, abriéndose estas válvulas de cada extremo cuando la intensidad de la radiación recibida en la superficie del tubo, o haz unificado de tubos, supera el valor umbral Ru, fijado por diseño o por criterio del operador, a lo que se añade un valor o nivel de consigna Rc, mayor que Ru, calificando al tubo o al haz de alta radiación si recibe una intensidad por encima de dicho nivel de consigna Rc, y de baja radiación si la intensidad que recibe está por debajo de Rc; constituyendo los ramales de las cabeceras una conexión potencial entre el interior del tubo y dos colectores de fluido en cada cabecera, estando interrumpida la conexión física del flujo de fluido por cada ramal mediante una válvula habitualmente cerrada; y en la cabecera de salida se conecta el tubo o haz al colector que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por debajo de Rc, cuando dicho tubo recibe intensidad de radiación por debajo de Rc, lo que se materializa por apertura de su correspondiente válvula; y en la cabecera de salida se conecta el tubo o haz al colector que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por encima de Rc, cuando dicho tubo recibe intensidad de radiación por encima de Rc, lo que se materializa por apertura de su correspondiente válvula; habiendo en la cabecera de entrada de fluido otros dos colectores, siendo uno de ellos el que opera con todo tubo o haz que recibe intensidad de radiación por debajo del nivel...

 


Reivindicaciones:

1. Receptor solar de anchura variable, constituido por un conjunto de tubos (1) paralelos, que pueden ir hidráulicamente unificados en haces (10), teniendo cada haz unificado una única válvula de entrada para todos sus tubos y una única válvula de salida; estando los tubos y haces contenidos dentro de un cajón-colector de dilatación y presión compensadas, o en otro receptáculo apropiado para alojar los citados tubos, absorbiéndose la radiación térmica en la cara o superficie activa (2) donde incide la radiación, que es parte de la propia superficie exterior de los tubos, o es un material superficial conectado térmicamente con la superficie de los tubos, teniendo dicha radiación una intensidad que en el sistema de unidades SI se mide en vatios por metro cuadrado, caracterizado por que cada tubo (11), o haz hidráulicamente unificado de tubos (10), está provisto de una válvula en cada extremo (12,14) y tiene además unas cabeceras (13, 83) en cada uno de sus extremos, que están provistas de ramales con válvulas (15, 16; 84, 85) que habitualmente están cerradas, así como las válvulas de cada extremo (12,14) que también están habitualmente cerradas, abriéndose estas válvulas de cada extremo (12,14) cuando la intensidad de la radiación recibida en la superficie del tubo, o haz unificado de tubos, supera el valor umbral Ru, fijado por diseño o por criterio del operador; a lo que se añade un valor o nivel de consigna Rc, mayor que Ru, calificando al tubo o al haz de alta radiación si recibe una intensidad por encima de dicho nivel de consigna Rc, y de baja radiación si la intensidad que recibe está por debajo de Rc; constituyendo los ramales de las cabeceras (13, 83) una conexión potencial entre el interior del tubo y dos colectores de fluido en cada cabecera, estando interrumpida la conexión física del flujo de fluido por cada ramal mediante una válvula (15, 16; 84, 85) habitualmente cerrada; y en la cabecera de salida (13) se conecta el tubo o haz al colector (18) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por debajo de Rc, cuando dicho tubo recibe intensidad de radiación por debajo de Rc, lo que se materializa por apertura de su correspondiente válvula (16); y en la cabecera de salida (13) se conecta el tubo o haz al colector (17) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por encima de Rc, cuando dicho tubo recibe intensidad de radiación por encima de Rc, lo que se materializa por apertura de su correspondiente válvula (15); habiendo en la cabecera de entrada (83) de fluido otros dos colectores (86, 87), siendo uno de ellos (87) el que opera con todo tubo o haz que recibe intensidad de radiación por debajo del nivel de consigna Rc, al cual tubo o haz se conecta por apertura de su correspondiente válvula (85); y el otro colector (86) en la cabecera de entrada (83) opera con todo tubo o haz que recibe intensidad de radiación por encima del nivel de consigna Rc, al cual tubo o haz se conecta por apertura de su correspondiente válvula (84); y siendo cada cabecera (13, 83) en el extremo de cada tubo (11) o haz (10) paralela a las cabeceras correspondientes de los otros tubos (1), con las que comparte los colectores (17, 18, 86, 87); siendo, por el contrario, las válvulas de las cabeceras (15, 16, 84, 85) específicas de cada tubo o haz unificado de tubos (10).

2. Receptor solar de anchura variable, según reivindicación primera, caracterizado por que el número total de tubos paralelos (1) que conforman el receptor tiene una anchura, medida transversalmente a la dimensión longitud de los tubos, que es igual o mayor que la máxima anchura esperada, en una instalación determinada, del haz de radiación incidente en el receptor.

3. Receptor solar de anchura variable, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los citados tubos se agrupan en haces longitudinales hidráulicamente unificados (10), teniendo cada haz unificado una única válvula de entrada para todos sus tubos y una única válvula de salida, y están aislados térmicamente entre sí (8) en sentido longitudinal, así como por la parte posterior, opuesta a la cara activa (2); aplicándose el aislamiento a cada tubo, si éstos no se agrupan en haces, o el haz es monotubo.

4. Receptor solar de anchura variable, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los tubos o haces de tubos se agrupan en planchas (23, 24, 25) de tubos que toman el fluido de un mismo colector de entrada (43, 30, 31) y lo conducen hasta otro colector de salida (38, 46, 47), también el mismo para todos dichos tubos; estando estos colectores de salida (46, 47, 38) potencialmente conectados mediante ramales de tubería o conducto, bien a los colectores de entrada de otras planchas, bien a la tubería de recirculación de la misma plancha (26, 27, 40, 41), bien a los conductos de salida (39) generales del fluido calorífero del conjunto del receptor; y estando los colectores de entrada (43, 30, 31) potencialmente conectados mediante ramales de tubería o conducto, bien a los colectores de salida de otras planchas, bien a la tubería de recirculación de la misma plancha (26, 27, 40, 41), bien a los conductos de entrada (28, 29) generales del fluido calorífero al conjunto del receptor; no siendo fija la antedicha agrupación de tubos o haces en planchas, sino variable, pues depende de las válvulas que se abren en las cabeceras de cada tubo o haz, de tal modo que una plancha está compuesta, en un momento dado, por todos los tubos y haces de tubos que tengan abiertas exclusivamente las válvulas de las cabeceras que conectan el tubo, o el haz unificado, a un mismo colector general de entrada y a un mismo colector general de salida.

5. Receptor solar de anchura variable, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el calentamiento del fluido se realiza en diversas etapas, constando cada etapa con una plancha, o varias en paralelo, considerando en cada etapa si se ha alcanzado la temperatura de consigna para pasar a la siguiente etapa; recirculándose parcialmente, en caso contrario, el fluido calorífero por otros tubos de la misma etapa, denominados antiparalelos (53, 56; 54, 55), de tal modo que en una etapa dada puede haber hasta la mitad de tubos con el fluido moviéndose en una dirección opuesta a la de avance del fluido, lo cual es posible por la reversibilidad de los tubos.

6. Receptor solar de anchura variable, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la disposición con un solo receptor o con un conjunto de receptores en serie, los tubos se agregan en tres planchas, una central (23) y dos adyacentes (24, 25), circulando el fluido calorífero primero por las planchas adyacentes, en un sentido, y retornando el fluido en su totalidad por la plancha central del mismo receptor, en sentido contrario, si la temperatura alcanzada supera la de consigna en ese punto, inyectándose el fluido en la plancha central desde las adyacentes, mediante la apertura de las válvulas (50, 51) que propician ese sentido del flujo del fluido, permaneciendo las demás cerradas; y recirculándose parcialmente el fluido en las planchas adyacentes mediante un circuito exterior (26, 27), si no se ha alcanzado la temperatura de consigna a la salida de las planchas adyacentes, mediante la apertura de las válvulas que propician dicha recirculación (48, 32, 49, 33).

7. Procedimiento de variación de la anchura en un receptor solar de anchura variable, que comprende la determinación de:

- la distribución transversal de la densidad de potencia recibida,

- la temperatura del fluido en las salidas de todas las planchas de la instalación, caracterizado por que establece las siguientes pautas:

- abrir las válvulas (12 y 14) en ambos extremos de un tubo (11) o conducto, o haz unificado (10), cuando la intensidad de la radiación recibida por éste sea superior a un valor de umbral, Ru, estando Ru fijado por diseño o por criterio del operador;

- cuando un tubo o haz recibe intensidad de radiación por debajo de un nivel de consigna Rc fijado para esa instalación por su proyectista o por su operador, para esa etapa, se abre la válvula (16) correspondiente a su ramal de salida de conexión con el colector (18) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por debajo del valor de consigna, Rc:

- cuando un tubo o haz recibe intensidad de radiación por encima de un nivel de consigna Rc fijado para esa instalación por su proyectista o por su operador, para esa etapa, se abre la válvula (15) correspondiente a su ramal de salida de conexión con el colector (17) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por encima del valor de consigna, Rc;

- cuando un tubo o haz recibe intensidad de radiación por debajo de un nivel de consigna Rc fijado para esa instalación por su proyectista o por su operador, para esa etapa, se abre la válvula (85) correspondiente a su ramal de entrada de conexión con el colector (87) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por debajo del valor de consigna, Rc;

- cuando un tubo o haz recibe intensidad de radiación por encima de un nivel de consigna Rc fijado para esa instalación por su proyectista o por su operador, para esa etapa, se abre la válvula (84) correspondiente a su ramal de entrada de conexión con el colector (86) que opera con los tubos que reciben intensidad de radiación por encima del valor de consigna, Rc.

8. Procedimiento de variación de la anchura en un receptor solar de anchura variable, según la reivindicación 7, caracterizado por que se establecen prescripciones macroscópicas, a nivel de planchas, según sigue;

- agrupar en la plancha central (23) todos los tubos o conductos que reciben una intensidad de radiación por encima de un valor de consigna, Rc, abriendo, en cada cabecera de entrada (83) de tubo o haz, las válvulas (84, 90) consecutivas del ramal que corresponde a ese nivel alto de intensidad de radiación, quedando conectado el correspondiente colector de entrada del tubo (86) con el colector general (43) de entrada de la plancha central (23); y abriendo las válvulas consecutivas (15, 19) que corresponden a ese nivel alto de intensidad de radiación del tubo o haz, en su cabecera (13) de salida, quedando conectado a su vez el colector de salida del tubo o haz (17) con el colector general (38) de salida de dicha plancha central (23);

- agrupar en una plancha adyacente (24, 25) todos los tubos o conductos que, por uno de los laterales de la plancha central, reciben una intensidad de radiación por encima del umbral Ru, sin llegar al valor de consigna, Rc, abriendo las válvulas consecutivas (85, 91) de dichos tubos que conectan el extremo de entrada de cada tubo y su colector (87) con el respectivo colector general (30, 31) de entrada de la respectiva plancha adyacente (24, 25); y abriendo las válvulas consecutivas (16, 20) de dichos tubos que conectan el extremo de salida de cada tubo y su colector (18) con el colector general respectivo (46, 47) de salida de la respectiva plancha adyacente (24, 25);

- agrupar en una plancha periférica o de entrada (53, 56) todos los tubos o conductos que, por uno de los laterales del conjunto de tubos que conforman el receptor, reciben una intensidad de radiación por encima del umbral Ru, sin llegar al valor de consigna, Rc, abriendo las válvulas consecutivas (85, 91) de dichos tubos que conectan el extremo de entrada de cada tubo y su colector (87) con el respectivo colector general (81, 82) de entrada a la respectiva plancha periférica o de entrada (53, 56); y abriendo las válvulas consecutivas (16, 20) de dichos tubos que conectan el extremo de salida de cada tubo y su colector (18) con el colector general respectivo (63, 64) de salida de la respectiva plancha periférica o de entrada (53, 56);

- agrupar en cada una de las planchas centrales o de salida (54, 55), a cada lado del punto medio efectivo (3) de la cara activa del receptor, todos los tubos o conductos de cada lado del receptor que reciben una intensidad de radiación por encima del valor de consigna, Rc, abriendo las válvulas consecutivas (84, 90) de dichos tubos que conectan el extremo de entrada de cada tubo y su colector (86) con el respectivo colector general (71, 72) de entrada a la respectiva plancha central o de salida (54, 55), y abriendo las válvulas consecutivas (15, 19) de dichos tubos que conectan el extremo de salida de cada tubo y su colector (17) con el colector respectivo (75, 76) de salida de la respectiva plancha central o de salida (54, 55).

9. Procedimiento de variación de la anchura en un receptor solar de anchura variable, según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que para las válvulas generales de los ramales de entrada y salida de cada plancha de tubos, las prescripciones son:

- cuando la temperatura a la salida de una plancha de una etapa no ha alcanzado el valor de consigna para esa etapa, se abren parcialmente las válvulas de la recirculación (48, 49, 32, 33, 36, 37, 42) si se recircula por conducto exterior al receptor (26, 27, 40, 41), o válvulas (65, 66, 79, 80) si se realiza a través de una plancha de tubos antiparalelos (53, 56; 54, 55), y quedan abiertas parcialmente las válvulas de paso (50, 51, 39) o (69, 70, 77, 78), respectivamente en cada caso, a la siguiente etapa de calentamiento;

- cuando la temperatura a la salida de una plancha central (23, 54, 55) de una etapa supera el valor de consigna para esa etapa, sólo se abren las válvulas de paso (50, 51, 39, 69, 70, 77, 78) a la siguiente etapa de calentamiento; o si es la última, a la evacuación del fluido desde el receptor.


 

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