PLANTA SOLAR.

Planta solar.

Permite transformar energía solar aprovechando la mayor parte del espectro solar con rendimiento muy eficiente.

Comprende: al menos un colector (11) solar dotado de un foco, y adaptado para recolectar la radiación solar y concentrarla en el foco; un dispositivo láser (10) solar para transformar la radiación recibida desde los focos en radiación láser; y un receptor (1) y/o un reactor solar (21) adaptados para recibir la radiación proveniente del dispositivo láser (10) y transformarla en otro tipo de energía. Puede comprender guías de luz (8) flexibles o espejos (26) planos para transportar hacia el reactor solar (21) y/o el receptor (1) la radiación recibida desde el dispositivo láser. Puede comprender células fotovoltaicas (18) intercaladas entre los colectores y los dispositivos láser para transformar la radiación concentrada de los focos en electricidad y dejar pasar hacia los dispositivos láser la radicación que no transforman.

Planta solar

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo de la tecnología solar. El objeto de la invención se refiere a una planta solar que posibilita la transformación en energía eléctrica o térmica de una mayor parte de la radiación del espectro solar recibida.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El aprovechamiento de la energía solar plantea una serie de retos. Uno de ellos es la captación de dicha energía solar y su concentración, lo cual es una cuestión ampliamente investigada, desarrollada y aplicada en la actualidad. En este sentido el desafío de las plantas solares es: maximizar el ratio C/Cmax de los colectores concentradores (donde C es la concentración y Cmax = 1/seno (semiaceptancia) es la concentración máxima teórica) ; minimizar las pérdidas geométricas efecto coseno, sombras y bloqueos entre seguidores -, pérdidas ópticas y térmicas; y bajar los costes de las instalaciones a niveles que hagan competitiva la tecnología en relación a otras fuentes de energía. Es importante indicar que maximizar la concentración nos permite reducir las pérdidas térmicas en la planta, reducir el coste de los dispositivos receptores (típicamente termosolares o fotovoltaicos) y/o aumentar las temperaturas típicas de trabajo de los fluidos caloportadores o de los reactores para la obtención de combustibles solares.

Otro gran reto es la transformación de la energía solar en energía eléctrica. Actualmente existen dos caminos comerciales principales:

- La tecnología fotovoltaica: implica convertir directamente en electricidad la radiación electromagnética del espectro solar a través de materiales semiconductores empleando células fotovoltaicas. Se trata de una tecnología que está en continuo desarrollo, y cuenta con potencial de mejora suficiente como para poder superar en eficiencia a las plantas solares termoeléctricas, gracias al futuro uso de materiales avanzados. Sin embargo tiene la desventaja de que no es gestionable y de que existe un rango de longitud de onda por encima de la cual las células fotovoltaicas no son capaces de convertir toda la energía de los fotones en energía eléctrica y por debajo de la cual el exceso de energía transportada por el fotón se pierde en forma de calor.

- La tecnología termosolar: implica calentar un fluido caloportador y generar electricidad en una turbina mediante un ciclo Rankine, Brayton, motor Stirling u otros, o bien provocar una reacción que permita obtener: hidrógeno directamente a partir de agua a temperaturas de hasta 2000 ºC mediante la utilización de terceras sustancias (Zinc u otros) o de procesos alternativos (I-S Iodine sulfure) ; amonia a partir de nitrógeno e hidrógeno; cualquier otro combustible solar. Es una tecnología que también está en continuo desarrollo. No presenta el inconveniente anteriormente comentado en relación a la tecnología fotovoltaica, pero tiene otros problemas más adelante expuestos. Actualmente se prevé que las plantas de receptor central tipo torre permitan, en el medio plazo, mejorar tanto en eficiencia como en coste al resto de tecnologías comerciales en el mercado de grandes plantas de producción de electricidad del orden de las decenas o pocas centenas de MW. Sin embargo, las plantas de receptor central adolecen del denominado efecto coseno (efecto de disminución del área efectiva reflectante del espejo, debido al ángulo que forma los rayos incidentes con la normal a dicha superficie reflectante) , de desbordamientos en el receptor, de pérdidas por transmisividad y de otros fenómenos que limitan su eficiencia si la comparamos con el potencial de la tecnología fotovoltaica.

En lo que se refiere a generación distribuida o mercado de las decenas de kW, los discos Stirling son una solución en desarrollo todavía cara pero prometedora. Una de las cuestiones que encarecen esta tecnología es el hecho de tener que soportar un motor pesado en voladizo en el foco del concentrador.

La tecnología termosolar tiene a su favor, frente a la tecnología fotovoltaica, la inercia térmica, la posibilidad de hibridar y la posibilidad de almacenar el calor.

Las limitaciones de las plantas de receptor termosolar pueden salvarse utilizando guías de luz para transportar la luz concentrada. El guiado de la luz solar concentrada con pérdidas mínimas desde la zona de captación hasta la zona de transformación es otro gran reto. El desafío, además, es doble; por un lado desarrollar guías de luz con materiales capaces de transmitir todo el ancho espectral de la luz solar y por otro utilizar guías de luz compatibles con colectores avanzados (óptica anidólica no formadora de imagen) que permitan altas concentraciones; es decir, guías de luz de alta apertura numérica.

Ejemplos de guías de luz son las fibras ópticas tradicionales, las guías de luz líquidas y las fibras de cristal fotónico (PCFs) .

La guías de luz de fibra óptica tradicional (ver documento “Solar fiber-optic mini-dish concentrators: First experimental results and field experience (D. Feuermann, J. M. Gordon, M Huleihil) – April 2002”) presentan una apertura numérica limitada (como máximo 0.48) lo cual limita la potencia de luz absorbida, así como los niveles de concentración de los colectores solares. Por otro lado, dichas guías no permiten guiar el espectro solar de manera eficiente a distancias superiores a las decenas de metros. Las pérdidas en las guías de luz de fibras ópticas están causadas por tres mecanismos: dispersión tipo Rayleigh; absorción debida a impurezas metálicas y al agua dentro de la fibra; y absorción intrínseca por la propia molécula del material de la fibra óptica, la sílice. La confluencia de estos tres mecanismos limitan la ventana del espectro solar que se puede guiar a través de las fibras sin pérdidas desde los 1000 - 1250 nm hasta un límite superior de 1650 nm, presentando unas perdidas de 0.2 dB/km en torno a 1550 nm. La conclusión es que, en el mejor de los casos, estas fibras no transmiten eficientemente una parte importante del espectro solar (UV, visible y parte del IR cercano) que representa más del 40% de la energía acumulada presente en el espectro solar.

En lo que se refiere al mecanismo de dispersión de Rayleigh: este se produce como resultado de colisiones elásticas entre la onda electromagnética y las moléculas de silicio dentro de la fibra. Si la luz dispersada se mantiene dentro de la apertura numérica de la fibra, continúa su viaje por reflexión interna total dentro de la fibra y no ocurre atenuación. Aumentar pues la apertura numérica de la fibra ayuda a reducir las pérdidas de dispersión de Rayleigh y a aumentar la ventana del espectro.

En cuanto a las pérdidas debido a la absorción por las impurezas: en la actualidad existen métodos de fabricación tipo MCVD (del inglés “modified chemical vapour deposition”, deposición química modificada de vapor”) u OVD (del inglés “outside vapour deposition”, deposición exterior de vapor) , que permiten fabricar fibras sin impurezas o con una concentración de impurezas extremadamente pequeñas. Estos procedimientos de fabricación permiten mantener niveles de pérdidas en dB/km suficientemente bajos en todas las longitudes de onda de la ventana referida anteriormente.

En cuanto al mecanismo de absorción intrínseca debido al material de la propia fibra: se está avanzando en el desarrollo de nuevos materiales para fabricar las fibras que aumenten esta ventana. Un ejemplo son los cristales de ZBLAN y GaLaS. El cristal de ZBLAN (formado por circonio, bario, lantano, aluminio y fluoruros de sodio) presenta rendimientos aceptables para longitudes de onda entre 250 y 4000 nm, con unas pérdidas de 0.05 dB/km a 2550 nm. El cristal de tipo GaLaS, también denominado GLS, que comprende Ga2S3 y/o La2S3 presenta una región de transparencia de longitudes de onda de 500 nm a 10000 nm y unas pérdidas de 0.5 dB/km en torno a 3500 nm.

Desde principios de los años 90 se están desarrollando las fibras de cristal fotónico (Photonic Cristal fibers PCFs en adelante) . Las fibras de cristal fotónico son fibras de sílice que tienen un núcleo central (a veces hueco) rodeado de una estructura periódica de agujeros rellenos de aire. Los cristales fotónicos poseen una modulación periódica del índice de refracción, siendo su periodo del orden de la longitud de onda del campo electromagnético en el rango óptico.

Existen, entre otros, dos tipos de PCFs: las PCFs de tipo IGF (del inglés “Index Guiding Fibers”, fibras de índice de guiado) y las de tipo PBF (del inglés “Bandgap Guiding Fibers” fibras de guiado de banda prohibida) .

Es importante señalar...

1. Planta solar, caracterizada porque comprende:

- al menos un colector (11) solar dotado de un foco, dicho colector (11) solar adaptado para recolectar la radiación solar y concentrar dicha radiación solar en el foco;

-al menos un dispositivo láser (10) solar, a modo de convertidor solar, donde el dispositivo láser (10) está adaptado para recibir, directa o indirectamente, radiación concentrada procedente de los focos de los colectores (11) y transformar dicha radiación concentrada en radiación láser; y

-un receptor (1) y / o un reactor solar (21) , adaptados para recibir la radiación proveniente de los dispositivos láser

(10) y transformar dicha radiación en otro tipo de energía, donde el receptor (1) está adaptado para emplear dicha radiación en calentar un fluido caloportador (no mostrado) o transmitir dicha radiación a un captador fotoeléctrico (no mostrado) , así como el reactor solar (21) está adaptado para obtener un combustible solar.

2. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende adicionalmente sendos espejos planos (26) adaptados para dirigir por reflexión la luz procedente de los dispositivos láser (10) hacia el reactor solar

(21) y / o hacia el receptor (1) .

3. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende adicionalmente sendas guías de luz (8) flexibles, adaptadas para recoger por un primer extremo la radiación emitida por los dispositivos láser (10) y transportar dicha radiación hacia el receptor (1) y / o hacia el reactor solar (21) .

4. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende adicionalmente al menos una célula (18) fotovoltaica intercalada entre los colectores (11) y los dispositivos láser (10) , donde la célula (18) fotovoltaica está adaptada para recibir una parte de radiación concentrada en los focos y transformarla en electricidad, así como es transparente a la parte que no puede transformar, permitiendo que dicha parte no transformada llegue a los dispositivos láser (10) .

5. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque las células (18) fotovoltaicas son células HCPV.

6. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque, las células (18) fotovoltaicas son células HCPV de tipo multiunión.

7. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el receptor (1) se selecciona de una lista que consiste en:

-receptor termosolar;

-receptor fotovoltaico.

8. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los colectores (11) solares se seleccionan de entre una lista que consiste en:

-colectores de disco de tipo paraboloide,

-colectores de tipo lente de Fresnel,

-colectores avanzados, elaborados en base a óptica anidólica.

9. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque comprende adicionalmente al menos un dispositivo de seguimiento según dos ejes para orientar los colectores.

10. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque cada colector solar está asociado a su propio dispositivo de seguimiento individual.

11. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque comprende al menos un dispositivo de seguimiento asociado a una pluralidad de colectores (11) .

12. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, caracterizada porque las guías de luz (8) se seleccionan de entre una lista que consiste en:

-guías de fibra óptica tradicional;

-guías de tipo PCF;

- guías de luz líquidas.

13. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de fibra óptica tradicional se seleccionan de entre una lista que consiste en:

-guias de tipo MCVD, y

-guías de tipo OVD.

14. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de tipo PCF se seleccionan de entre una lista que consiste en:

- guías de tipo IGF;

-guías de tipo PBF; y

15. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque las guías de luz (8) de tipo PCF son guías de luz (8) dopadas con P2O5.

16. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque las guías de luz (8) están elaboradas con materiales seleccionados de una lista que consiste en:

- guías de luz de sílice fundida;

- guías de luz de cristal ZBLAN; y

- guías de luz de cristal GaLaS.

17. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque incorpora adicionalmente unas lentes (14) , cada una de dichas lentes (14) adaptada para multiplexar la radiación de una pluralidad de guías de luz (8) en guías combinadas (15) de mayor irradiancia que las guías de luz (8) .

18. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 o 17, caracterizada porque el receptor (1) es de tipo termosolar, donde la radiación incidente sobre zonas contiguas del receptor (1) proviene de guías (8, 15) ubicadas en zonas no contiguas de los colectores (1) .

19. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizada porque las guías de luz (8) se dirigen directamente hacia el receptor (1) , de modo que no todas las guías de luz (8) de una misma zona de colectores (11) inciden en la misma zona del receptor (1) , sino que en cada zona del receptor (1) , las guías de luz (8) contiguas a las que provienen de una zona de colectores (11) provienen de zonas de colectores (11) alejadas.

20. Planta solar de acuerdo con las reivindicaciones 18 y 19, caracterizada porque las guías de luz (8) de una misma zona de colectores (11) se multiplexan de modo que las guías combinadas (15) contiguas en el receptor (1) combinan guías de luz (8) que provienen de zonas de colectores (11) alejadas.

21. Planta solar de acuerdo con las reivindicaciones 18 y 19, caracterizada porque las guías combinadas (15) combinan guías de luz (8) provenientes de distintas zonas de colectores (11) .

22. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo láser (10) es de bombeo longitudinal.

23. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque incorpora adicionalmente unos medios de almacenamiento (16) para almacenar parte de la radiación solar transformada.

24. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 23, caracterizada porque los medios de almacenamiento (16) comprenden al menos uno seleccionado de la lista que consiste en:

- acumuladores eléctricos;

-tanques de aire/gas caliente;

- tanques de vapor de agua saturado comprimido; y

- tanques de fluido caloportador a alta temperatura de tipo sal.

25. Planta solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende adicionalmente medios de transformación para transformar la energía térmica del receptor en energía eléctrica.

26. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizada porque los medios de transformación se seleccionan entre al menos uno de una lista que consiste en:

-turbina de vapor,

-turbina de gas,

-motor Stirling,

- micro turbina, y

- elemento AMTEC.

27. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el reactor solar (21) está adaptado para obtener al menos un combustible solar seleccionado de una lista que consiste en:

- hidrógeno, directamente a partir de agua a una temperatura no superior a 2000 ºC; y

-amonia, a partir de nitrógeno e hidrógeno.

28. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizada porque el reactor solar (21) está adaptado para obtener hidrógeno empleando Zinc.

29. Planta solar de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizada porque el reactor solar (21) está adaptado para obtener hidrógeno empleando procesos de sulfuro de yodo.