Receptor longitudinal de energía solar térmica.

Receptor de tubos paralelos, contenidos en una carcasa, una de cuyas paredes extremas contiene todas las penetraciones de los tubos,

que por la pared opuesta o confín no tienen salida, por lo que los tubos están emparejados inequívocamente según su función térmica y conectados entre sí mediante una lira de dilatación en el extremo del confín, y cada par forma un circuito de fluido que recorre de ida y retorno la carcasa a lo largo. La carcasa posee una ventana compuesta por módulos, ensamblados sobre unas traviesas que además dan rigidez transversal a la carcasa, que queda estanca; y cuya presión interior se mantiene constante merced a sendas válvulas de alivio, una actuando por sobrepresión interior, y la otra por depresión.

RECEPTOR LONGITUDINAL DE ENERGíA SOLAR TÉRMICA

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales, horizontales o levemente inclinados, y orientables por girar alrededor de su eje de simetría longitudinal; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor asimismo longitudinal, con su eje largo horizontal o levemente inclinado, y específicamente trata del receptor que capta la radiación concentrada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Esta invención está relacionada con otras dos invenciones, cuyo inventor es el mismo de esta solicitud. La primera de ellas es la patente ES 2 321 57682, consistente en un receptor de dilatación y presión compensadas, y la segunda invención es la ES 2 345 759 82, en la que se presenta un colector longitudinal 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.

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; y la WO 2009/023063 A2 trata de un receptor inclinado transversalmente respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación. Un precedente más reciente es el documento US2012234311A1, que presenta multitud de patrones de flujo en tubos, pero no aborda el tema de inhibir la convección alrededor de los tubos, para evitar pérdidas térmicas al aire circundante. De características similares es el contenido del documento W0201 0132849 A2.

En ninguna de las patentes o solicitudes citadas se aborda el problema de compensar la dilatación en distancias longitudinales típicas de colectores lineales, de 100 metros o distancias superiores, dentro de un recinto cerrado. Estos colectores se acoplan idóneamente a concentradores de la radiación tipo Fresnel, como el descrito en la invención ES 2 345 427 82, pero pueden acoplarse igualmente a otras geometrías de concentración.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

En la invención ES 2 321 576 82 se presenta un dispositivo para compensar la dilatación en un módulo o cajón de colector corto, entendiendo por tal el cajón en el cual los tubos absorbedores de radiación experimentan una dilatación al calentarse que es no mayor que la arista menor del cajón en sentido transversal. Contiene también un dispositivo activo para compensar la presión interior y mantenerla siempre en un nivel dado. En la invención ES 2 345 759 82 se agrupan longitudinalmente un conjunto de esos cajones o módulos de colector, estando la dilatación y la presión compensadas en cada módulo.

Los dispositivos citados son útiles para aplicaciones en los que se quiera mantener vacío relativo en el interior del cajón, o quiera llenarse éste de un gas inerte, para evitar la oxidación del aire. Cuando ésta no es tan perjudicial y se decide usar aire, particularmente a presión atmosférica, el montaje multi-módulos es complicado, caro y con gran pérdida de carga manométrica en el fluido, por los numerosos codos y estrangulamientos y ensanchamientos que suponen tantas liras de compensación de la dilatación, que a su vez son los elementos de unión entre los tubos de módulos sucesivos.

Así pues, el problema técnico que esta invención viene a resolver es presentar un montaje de colector de carcasa única, de longitud indefinidamente larga, que incorpore un dispositivo pasivo de compensación de la presión en relación con la atmosférica local sin necesidad de componentes activos como son los compresores, y un dispositivo de asimilación de los cambios de longitud por variaciones de temperatura en los haces de los tubos.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención consiste en configurar el receptor de energía solar térmica mediante un conjunto de haces de tubos, pudiendo eventualmente haber haces de un sólo tubo, estando emplazados dichos haces íntegramente en el interior de una carcasa con forma de paralelepípedo, extendiéndose dichos tubos a lo largo de la carcasa, y llenando los haces de tubos la anchura de la carcasa, de la cual cinco de las paredes son sólidas, resistentes mecánicamente y aisladas térmicamente, y una de ellas está abierta , pero a ella se le une una ventana transparente con cerco perimetral de materia similar o igual que la de la carcasa, estando constituida dicha ventana por módulos sucesivos montados longitudinalmente, estando constituido cada módulo por un cerco sólido al cual va adherida la ventana transparente por una junta de silicona u otro material de cierre, y existiendo largueros transversales o traviesas en la cara abierta del paralelepípedo de la carcasa que corresponde a la ventana, confiriendo dichos largueros resistencia mecánica a las paredes laterales de la carcasa, siendo a su vez piezas de apoyo de los sucesivos módulos de ventana por sus extremos longitudinales, existiendo además una pieza en forma de escuadra a lo largo de todo el perímetro abierto de las paredes laterales y de los extremos de la carcasa, con la cual pieza de escuadra se ajustan los cercos de los módulos de la ventana; estando los haces de tubos apoyados en barras transversales suspendidas por cables o tirantes desde la pared superior o dorsal de la carcasa, que es la opuesta a la cara del paralelepípedo que contiene a la ventana, y estando los haces de tubos fijados por un extremo a la pared del extremo de la carcasa que hace de pared cabecera de la carcasa, y es por donde entran y salen todos los tubos de fluido calorífero; estando los haces de tubos inequívocamente designados como pares, de dos en dos, de acuerdo a la función térmica que ejecutan, y quedando en el extremo opuesto de la cabecera unidos los pares de haces de tubos mediante piezas en forma de U o en formas semicirculares alabeadas, con giro en más de una dirección espacial, quedando la pared opuesta a la de cabecera, o pared confín, cerrada y estanca, habilitando en dicho confín una longitud de la carcasa, o longitud del confín, en la que existe espacio para acomodar la mayor variación de longitud que se produce en cualquier tubo, por las variaciones de temperatura que se producen en el funcionamiento de la instalación solar.

La asignación de los haces de tubos por pares depende de si el calentamiento es sólo sensible, sin cambio de fase, o es de ebullición, con precalentamiento de líquido y sobrecalentamiento del vapor producido.

Para la asignación de los haces, se emparejan los de la misma función, teniendo en cuenta que se han de evitar zonas de tubo mucho más calientes que otras, por lo que los haces con mayor coeficiente de película del fluido en su interior se ubican en las franjas longitudinales del receptor que reciben mayor nivel de radiación concentrada. También se ha de contar con la temperatura que ha de alcanzar el fluido interior en cada función térmica, pues existe un valor de flujo térmico por debajo del cual, no se puede alcanzar con un fluido dado una temperatura dada, o se alcanza con rendimiento muy bajo.

Cada haz de tubos va aislado longitudinalmente por tabiques de espesor similar al espesor de los tubos, desde la pared dorsal o superior de la carcasa hasta la parte más ancha del haz, pudiendo ir los tabiques atravesados por tubos de conexión entre haces del mismo par, cuando están a cada lado del plano longitudinal de simetría, para asegurar similitud de evoluciones térmicas en ambos haces.

Para mantener la presión al nivel de la atmosférica local, la pared de la carcasa se taladra con una pluralidad de conductos que van provistos de válvulas de alivio, direccionadas en un sentido o en otro, por lo que cuando sube la presión en el interior del carcasa estanca, debido al aumento de la temperatura, ésta se alivia expulsando aire del interior a la atmósfera a través de las válvulas de sobrepresión; y cuando disminuye la presión dentro de la carcasa, entra el aire desde la atmósfera por abrirse en tal dirección la válvula de alivio de depresión.

EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un esquema, en sección recta, de haces de tubos del receptor, sus tabiques de aislamiento térmico, las barras suspendidas que soportan a los tubos, y la ventana con su cerco y sus juntas. También se muestran las válvulas de alivio en sus conductos y las orejetas o escuadras para fijar la carcasa a la estructura de...

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, constituido por una pluralidad de haces de tubos paralelos, pudiendo eventualmente haber haces de un sólo tubo, estando emplazados dichos haces íntegramente en el interior de una carcasa caracterizado porque la carcasa tiene forma de paralelepípedo, extendiéndose dichos tubos a lo largo del interior de la carcasa (1) , y llenando los haces de tubos la anchura de la carcasa, de la cual cinco de las paredes son sólidas, resistentes mecánicamente y aisladas térmicamente, y una de ellas está abierta, pero a ella se le une una ventana transparente (2) con cerco perimetral

(3) de materia similar o igual que la de la carcasa, estando constituida dicha ventana por módulos sucesivos (27) montados longitudinalmente, estando constituido cada módulo por un cerco sólido (3) al cual va adherida la ventana transparente por una junta (5) de silicona u otro material de cierre, y existiendo largueros transversales o traviesas (26) en la cara abierta del paralelepípedo de la carcasa que corresponde a la ventana, confiriendo dichos largueros resistencia mecánica a las paredes laterales de la carcasa, siendo a su vez piezas de apoyo de los sucesivos módulos de ventana (27) por sus extremos longitudinales, existiendo además una pieza en forma de escuadra (4) a lo largo de todo el perímetro abierto de las paredes laterales y de los extremos de la carcasa, con la cual pieza de escuadra se ajustan los cercos de los módulos de la ventana; estando los haces de tubos apoyados en barras transversales (8) suspendidas por cables o tirantes (7) desde la pared superior o dorsal (28) de la carcasa, que es la opuesta a la cara del paralelepípedo que contiene a la ventana, y estando los haces de tubos fijos por un extremo a la pared del extremo de la carcasa que hace de pared cabecera (29) de la carcasa, y es por donde entran y salen todos los tubos de fluido calorífero, estando sólidamente unidos los tubos a la cabecera de la carcasa en las penetraciones (41, 42, 43, 44) ; Y estando los haces de tubos inequívocamente designados como pares, de dos en dos, de acuerdo a la función térmica que ejecutan, y quedando en el extremo opuesto al de la cabecera unidos los pares de haces de tubos mediante piezas en forma de U o en liras de formas semicirculares alabeadas, con giro en más de una dirección espacial, quedando la pared opuesta a la de cabecera, o pared confín (30) , cerrada y estanca, habilitando en dicho confín una longitud de la carcasa, o longitud del confín, en la que existe espacio para acomodar la mayor variación de longitud que se produce en cualquier tubo, por las variaciones de temperatura que se producen en el funcionamiento de la instalación solar.

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según reivindicación primera, caracterizado por que cada haz de tubos va aislado longitudinalmente por tabiques (19) de espesor similar al espesor de los tubos, desde la pared dorsal o superior (28) de la carcasa hasta la parte más ancha del haz, pudiendo ir los tabiques atravesados por tubos de conexión (20) entre haces del mismo par, cuando están a cada lado del plano longitudinal de simetría, para asegurar similitud de evoluciones térmicas en ambos haces.

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pared de la carcasa se taladra con una pluralidad de conductos que van provistos de válvulas de alivio, direccionadas en un sentido o en otro, por lo que cuando sube la presión en el interior del carcasa estanca, debido al aumento de la temperatura, ésta se alivia expulsando aire del interior a la atmósfera a través de las válvulas de sobrepresión; y cuando disminuye la presión dentro de la carcasa, entra el aire desde la atmósfera por abrirse en tal dirección la válvula de alivio de depresión; siendo la tara de la válvula de alivio por sobrepresión (24) mayor que la presión atmosférica local, y preferiblemente mayor en un 10% de dicha presión; estando las válvulas de apertura por depresión interior (25) taradas para abrirse cuando la presión interior desciende por debajo del 90% de la presión atmosférica local.

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los haces con mayor coeficiente de película del fluido en su interior se ubican en las franjas longitudinales del receptor que reciben mayor nivel de radiación concentrada.

S -Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las traviesas (26) que dan rigidez al perímetro de la parte abierta de la carcasa tienen forma de T invertida, con el tronco de la T soldado o unido en sus extremos a la parte baja de las paredes laterales de la carcasa: sirviendo las alas de la T (46) , que quedan en la parte baja, de solapas para recibir a los extremos de los cercos de los módulos de ventana (27) .

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la parte lateral del cerco de los módulos de ventana (27) va presionada a la escuadra perimetral (4) de la carcasa mediante pinzas de fleje (6) .

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la parte más alta de las liras de dilatación (31) o en las piezas de conexión en U (35) en el espacio del confín, se dispone un eyector de gases (51) , que evacúan al espacio interior de la carcasa.

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en los montajes con ebullición de un líquido, la invención se monta con cuatro circuitos, correspondiendo dos a los laterales del receptor, para el precalentamiento del líquido, en las franjas con menor nivel de radiación concentrada, ubicándose por separado, y cerrándose los semicircuitos de cada circuito por sendas liras espaciales de dilatación (36, 37) ; siendo el siguiente circuito el de ebullición, que se ubica en el centro del receptor, con un conducto de ida (9) y otro de retorno (10) , cerrados por una pieza en un U (32) ; Y siendo el tercer circuito el de sobrecalentamiento de vapor, compuesto por dos tubos o haces de tubos en cada semicircuito, a lados opuestos de la carcasa, simétricos entre sí los tubos de cada semicircuito, tanto de ida (11, 12) como de retorno (13, 14) , uniéndose primero los semicircuitos cada uno por sí, y luego éstos entre sí a través de una lira espacial (35) , que se desarrolla a dos niveles de altura, lo que exige unas barras suspensorias adicionales (22) .

-Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el caso de aplicaciones en las que el fluido calorífero no cambia de fase, cada haz de tubos se ubica adyacente a su par, unidos en el confín por una lira espacial (31) y por razones de simetría, existe un número par de circuitos, y la mitad de los circuitos, correspondientes a uno de los lados de la carcasa, pueden ir en paralelo, de tal forma que cada circuito tiene su entrada (47) y su salida (48) de fluido a través de la cabecera (29) , o pueden montarse en serie, existiendo en este caso sólo una entrada y una salida por cada mitad de la carcasa, enlazándose los circuitos sucesivos a través de una unión en U (49) en la pared cabecera.

- Receptor longitudinal de energía solar térmica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cuando los fluidos caloríferos tienen un punto de solidificación muy alto, durante la noche o en largos períodos sin sol, se evacúa el fluido del circuito del receptor solar, y se drena a un depósito convenientemente aislado, para lo cual se montan los haces de tubos con pequeña inclinación, quedando la cabecera (29) a menor nivel que la pared confín (30) , efectuándose la extracción del fluido por la cabecera; que en caso de disponer de uniones en U conectando dos penetraciones contiguas, han de tener dichas uniones en su parte inferior un tubo (50) , dotado con válvula de apertura-cierre, para drenar el fluido.

Figura 1 Figura 2

25 30 24

Figura 3

i.51 39 21

i:V 7 ) -~-~~'\

. I , __.. I

L__

: I I ~, I

: I I Itl

• I I I I :" I I

J

~ J I

~) C·./ ~';

a Figura 4

Figura 5

Figura 6