Concentrador solar.

Concentrador solar del tipo de los utilizados en plantas termosolares de receptor central,

consistente en una superficie reflectante con geometría definida, discretizada dicha superficie en elementos especulares simples de menor tamaño y sin geometría definida denominados facetas (1), especialmente diseñados para que su disposición y mecanismo de amarre sobre una estructura soporte (2) conformada les proporcione la capacidad de adaptarse con un grado de libertad a la geometría de dicha superficie y, además, auto-alinearse para conseguir una determinada distribución de irradiancia solar sobre un blanco. El proceso tradicional de alineación de los heliostatos convencionales queda así completamente suprimido, reduciéndose la puesta a punto de la óptica del heliostato a su proceso de montaje, el cual, como efecto adicional de la invención, no demanda instrumentos de precisión ni técnicos cualificados, todo ello sin menoscabo de la calidad óptica del heliostato.

CONCENTRADOR SOLAR

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un concentrador solar o helióstato denominado

S modular de óptica auto-alineada, cuyo cometido es el de eliminar el tradicional proceso

de alineación (o canteo) de sus facetas, asl como reducir costes y simplificar el

montaje y la puesta a punto del campo solar. Como consecuencia del propio concepto,

se logra asimismo mejorar la calidad óptica del heliostato. Adicionalmente, aquellas

labores de mantenimiento del campo solar que comporten la reposición y realineación

10 de facetas (roturas, corrosión, fin de vida útil) , se verán asimismo simplificadas y

mejoradas.

Antecedentes de la Invención

El concentrador solar o heliostato de la invención puede ser utilizado en centrales

eléctricas termo-solares de receptor, central y, más especlficamente, en los

15 subsistemas denominados Campo de Heliostatos (o campo solar) . Dichas centrales

basan su estrategia de operación en el aporte de calor a un detenninado ciclo

termodinámico convencional, mediante la reflexión especular y concentración de la

radiación solar por un elevado número de helióstatos, sobre un subsistema

denominado receptor solar (o caldera) , responsable de la transferencia de la energia

20 radiante a dicho ciclo. Las principales caracteristicas funcionales de los helióstatos son

la capacidad para concentrar y mantener la radiación solar en el receptor a lo largo del

dla, para lo cual se les dota de una superficie óptica reflectante, asl como de

estructura soporte sobre mecanismos de accionamiento, que le proporcionan

movimiento en dos ejes y permite así el correcto apunte diumo.

2S El heliostato es, por lo anterionnente dicho, un sistema óptico formador de imágenes

solares. Desde un punto de vista óptico, la formación de imágenes comporta aquí la

presencia de una superticie especular dotada de una determinada geometria. Para un

heliostato, donde uno de los hechos diferenciado res con el resto de sistemas solares

de concentración (colectores cilindro-parabóllcos, discos, etc.) es la mayor área de su

30 superticie reflectante (en las actuales plantas electro-solares en producción, en el

entorno de los 100m' ) , la construcción, montaje y puesta a punto de dicha superficie

reflectante es sin duda su principal hándicap. Para abordar con ciertas garantias esta

tarea, tradicionalmente se ha recurrido a dividir la superticie reflectante en elementos

más pequeftos, denominados facetas, que pennitieran abordar su fabricación,

3S transporte, montaje y posterior proceso de alineación, con suficientes garantias de

viabilidad. Las facetas hasta ahora construidas han sido sistemas ópticos en si mismos, dotados de geometrla gener.almente esférica o cilíndrica, con una detenninada distancia focal ajustada a su posición de trabajo en el campo de heliostatos; es decir, básicamente una focal determinada por su distancia al receptor solar. la construcción de facetas, bajo la premisa de lograr un sistema óptico bien definido (geomet.rla, distancia focal) exige la intervención de personal cualificado, asl como instrumentos de precisión con objeto de garantizar la calidad y repetitividad en la geometría y distancia focal resultantes quo, por lo demás, todo componente industrial fabricado en serie exige. Para el confonnado de facetas (figura 1) se hace necesaria la intervención de instrumentos de precisión, como por ejemplo una mesa de conformación (figura 2) . Con ayuda de un equipo de medida (taquímetro, láser, etc.) y unas dianas milimetradas se ajusta el tabllsro de la mesa con la focal deseada; sobre el tablero de la mesa se coloca el espejo, que lleva adherido en su parte posterior unas piezas de fijación (figura 3) y con unal bomba de vacio se succiona el espejo y se hace coincidir con el tablero, para posteri, onnente atornillar las piezas de sujeción al bastidor de la faceta (figura 4) . Así fabricadas, las facetas deben ser fijadas a la estructura soporte del heliostato (figura 5) mediante algún mecanismo de sujeción. la puesta a punto del heliostato exige una nueva tarea sin la cual no alcanzarla éste nunca la calificación de sistema formador de imágenes. En efecto, puesto que cada faceta es, en si misma, un sistema fonnador de imágenes solares, deben éstas de organizarse geométricamente para que halya una acción de conjunto en la reflexión y el helióstato se comporte como un s, istema óptico único, proporcionando en consecuencia una única imagen del sol. Este procedimiento de organización geométrica de la óptica del heliostato se dEmomina alineación o canteo, y puede seguir diferentes criterios ópticos dependiendo dE~ qué distribución de irradiancia se pretenda conseguir. La alineación, en definitiva, dota de focal al helióstato. Se han desarrollado para tal fin dos modos de alineación diferentes: en el eje y fuera del eje. El primero de ellos supone que el sol. el helióstato Y' el blanco constituyen un sistema óptico centrado en un eje común (eje óptico del heliostato) ; las facetas se alinean de forma que los vectores directores de sus ejes ópticos coincidan con el vector nonnal a la superficie óptica teórica prevista para el hE~liostato; el segundo. organiza la disposición de las facetas para optimizar la convergen4=ta de todas las imágenes individuales sobre el receptor solar en un determinado momelnto del dia y del año, sin atender a ninguna ligadura geométrica. Las figuras 6, 7A, 7B, 8 Y 9A, 98 muestran el efecto simulado de un helióstato de doce facetas antes y después de alinear. Las figuras 78 y 98

representan la proyección del sol sobre un blanco de 12mx1 2m (es simplemente una pantalla blanca y cuadrada) luego de reflej, arse en la superficie especular -discretizada en facetas-de un helios tato. La figura 7B corresponde a un heliostato cuyas facetas están sin alinear (se observan imágenes individuales del sol -una por cada faceta-S distribuidas aleatoriamente sobre el blanco) ; la figura 9B corresponde al mismo heliostato, pero una vez alineadas las face:tas, de forma que las imágenes individuales del sol se superponen en un solo punto sobre el blanco, dando como resultado un sola imagen del sol, con intensidad la suma de las intensidades de las facetas. Por tanto, lo que se tiene realmente en ambas figuras es una distribución bidimensional de 10 irradiancia solar sobre un blanco cuadrado de dimensiones XV; matemáticamente se expresa como una función Z = f (X, Y) donde X, Y e [O, 12Jm y Z e [0, max (f (X, Y) ) ], donde f es la función que describe la irradliancia solar reflejada por el heliostato sobre el blanco. Por eso en las figuras aparece el metro [m] como unidad tanto en las ordenadas como en las abscisas (es la pllntalla) , y los distintos niveles de gris de los 15 píxeles asociados a cada poSición XV representan la intensidad en kW/m2. En este ejemplo, se ve que la alineación de la;s facetas del helistato es un proceso de importancia capital, ya que dota de focal all heliostato convirtiéndolo as' en un sistema óptico centrado en el eje. Desde el punto de vista del mantenimiento del campo de heliostatos, la re-alineación de facetas es una tarea que ha de seguir necesariamente a la reposición de éstas en caso de rotura, corrosión o fin de su vida útil, con lo que de instrumentación y personal cualificado ello conlleva. Las técnicas o métodos tradicionales d" alineación en el eje de helióstatos más utilizados han sido:

• Niveles de menisco de agua 2S • Láser 2f

• Inclinómetros

• Taqulmetro

• Láser trazador de la óptica del helic) stato

• Láser-tracker 30 Hándicaps comunes a todos ellos:

• Demandan Instrumentación y personal cualificado.

• Su exactitud depende de la calidad y repetHividad de las facetas.

• Lentitud; se genera un cuello de bo~ella en la puesta a punto del campo solar.

• Introducen un potencial error adiciclnal en la calidad óptica de cada helioslalo y,

por tanto, en la eficiencia óptica del campo solar.

• Todos ellos exigen, generalmente, un posterior ajuste fino manual.

• Suponen una inversión adicional en la puesta a punto de la planta.

• Complican y encarecen el mantenimiento del campo de heliostatos en caso de

reposición de facetas, ya que éstas. han necesariamente de realinearse. La invención propuesta tiene por objeto reemplazar el actual concepto de óptica del heliostato, por otro cuya novedad inventivél consiste en invertir las funciones asignadas hasta ahora a los componentes tradicionalles de ésta, de tal fonna que:

1. Las facetas ya no son sistemas ópticos formadores...

1. Concentrador solar configurado para ser utilizado en plantas termosolares de receptor central (100) que comprende: 1a) una superficie reflectante (10) :

1a1) que tiene una geometria definid;:l; 1 a2) discretizada en una pluralidad dI:! elementos especulares simples de tamaría unitario para conformar una pluralidad de facetas (1) ;

1b) una estructura soporte (2) : 1b1) configurada para soportar la superficie reflectante (10) ; 1 b2) conformada para determinar una colocación auto-alineada de la superficie reflectante (10) para obtener una distribución de irradiancia solar determinada sobre un receptor.

2. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que las facetas (1) comprenden: 2a) un vidrio (11) que comprende:

2a1) una cara especular (11a) configurada para reflejar una radiación solar incidente; 2a2) una cara de fijación (11 b) opuesta a la cara especular (11a) ; 2b) un sustrato (12) de sujeción del vidrio (11) que comprende: 2b1) una cara de asiento (12b) conf~lurada para asentar la cara de fijación (11b) del vidrio (11) ; 2b2) una cara de conexión (12a) opuesta a la cara de asiento (12b) , configurada para ser conectada al concentrador solar; 2c) medios de unión entre vidrio (11) y el sustrato (12) para asegurar una unión de la cara de fijación (11b) y la cara de asiento (12b) .

3. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una estructura soporte (2) que comprende: 3a) una pluralidad de cuadernas (2a, 2b, ~~c) :

3a1) conformadas a partir de una pluralidad de perfiles; 3a2) configuradas para ser ensambkidas de tal forma que la estructura soporte

(2) tiene una envolvente que define una superficie coincidente con una geometría prevista para la óptica para concentrador solar;

3a3) que comprenden medios de conexión para conectar con la cara de conexión (12a) del sustrato (12) de sujeción del vidrio (11) .

4. Concentrador solar de acuerdo con 1, 3 reivindicación 3, caracterizado por qua 5 comprende una cuaderna de acople (2c) que comprende:

4a) una brida de acople (2c1) tallada en 1:81 cuaderna de acople (2c) configurada para acoplar la estructura soporte (2) directamente a un mecanismo de accionamiento (6) .

5. Concentrador solar de acuerdo con la Ireivindicación 3, caracteñzado por qua los medios de conexión entre las cuadernas; (2a, 2b, 2c) y la cara de conexión (1281) permiten un movimiento de las facetas (1) respecto de la estructura soporte (2) con un grado de libertad en una dirección ort09ºn:811 a la estructura soporte (2) .

6. Concentrador solar de acuerdo con 1:81 reivindicación 5, caracterizado por qua comprende una pluralidad de muelles (4) configurados para absorber tensiones entre las facetas y la estructura soporte (2) y para mantener cada faceta (1) en contacto con la cuaderna (2a, 2b, 2c) sobre la que descansan.