Receptor multitubular con radiación solar atrapada.

Receptor multitubular con radiación solar atrapada.

Dispositivo de múltiples tubos paralelos absorbentes de radiación solar,

separados entre sí por un huelgo, al cual se le adiciona una pared posterior reflectante, separada de la parte trasera de los tubos en una distancia determinada, incluyendo en dicha pared unas protuberancias también reflectantes en forma de doble cuña, que coinciden con las zonas de huelgo, y cuyo ángulo de cuña está también especificado en función de la relación entre paso y diámetro de los tubos, y de los ángulos máximos de incidencia con que llega la radiación al receptor, desde el campo de espejos.

RECEPTOR MULTITUBULAR CON RADIACiÓN SOLAR ATRAPADA

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 es reflejada por una serie de espejos, de características variadas, pudiendo tener uno o dos ejes orienta bies cada espejo para el seguimiento solar.

La invención trata concretamente de los colectores o receptores, que son los componentes en los que un fluido absorbe la energía térmica aportada por la radiación; y más concretamente trata de aquellos en los cuales el fluido circula por dentro de tubos, en general paralelos entre sí; que pueden tener posición vertical, si están integrados en una torre central, o posición horizontal, por ejemplo en el montaje denominado Fresnel de reflexión.

Los tubos forman una pantalla de captación de la radiación, que es absorbida en esa superficie de los tubos, cara al exterior, y el calor pasa por conducción dentro del tubo y por convección, al fluido calorífero que circula por su interior.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

La invención tiene antecedentes inmediatos, particularmente en la patente ES2345427 82, que trata de un dispositivo receptor de radiación solar reflejada por espejos longitudinales, y la ES2356549, que trata de un receptor muiíitubo en el que los circuitos se pueden variar en función de los objetivos de calentamiento. El primer inventor de dichas patentes es el mismo que firma la presente solicitud. También es el firmante de la patente ES2321576 82, que presenta un colector multitubo de dilatación y presión compensadas, y de la solicitud P201201056, que trata de una carcasa para alojar un haz de tubos paralelos y contiguos, en los cuales la entrada y salida de cada circuito de fluido se realiza por el mismo extremo de la carcasa, y en el extremo opuesto, cerrado, los tubos consecutivos de un circuito van unidos por una conducción en U.

Existen varios documentos sobre colectores con tubos, como la solicitud internacional WO 2009/029277 A2, que plantea una configuración Fresnel convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones que se asemejen a las aquí presentadas; y la WO 2009/023063 A2, que trata de un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación, pero igualmente no aborda la misma problemática que esta solicitud. Otros documentos significativos con reflector secundario que se adapta a concentrar sobre un tubo la radiación que proviene del campo de espejos son la ES2364115 (A1) , que propone una forma específica de doble campana parabólica, en cuya línea focal se ubica el tubo receptor, y la FR2975473 (A1) que emplea dos unidades paralelas, cada una con su tubo en la línea focal y reflector secundario de doble parábola, pero esencialmente es una repetición de la óptica geométrica de usar un tubo focal en el foco de una doble parábola, que es lo reivindicado en la ES2364115.

La patente mencionada en primer lugar, ES2345427 82, utiliza uno o varios haces de tubos contiguos, que forman una pantalla ante la radiación, y no necesitan reflector secundario de ningún tipo.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

Los tubos de un receptor multitubo están iluminados sólo por la cara exterior, lo que produce un gradiente térmico en sentido circunferencial, parcialmente mitigado por la propia convección interna, pero que va produciendo deformación y fatiga en el tubo. Más aún los receptores multitubos tienen que cubrir toda la superficie que va a ser iluminada por la radiación incidente, y a su vez el radio de los tubos conviene que está ajustado al óptimo de las prestaciones térmicas de los fluidos caloríferos, yeso puede plantear soluciones incompatibles entre sí, teniendo en cuenta además que multiplicar el nO de tubos, haciéndoles más pequeños para mejorar sus coeficientes de convección, implica aumentar la pérdida de carga y la potencia de bombeo; mientras que aumentar su radio comporta reducir sensiblemente la potencia de bombeo, pero se incrementa notablemente el peso, lo cual puede tener efectos mecánicos y estructurales que incrementen el coste mucho; en especial si el fluido requiere alta presión, como son los gases, pues ello requiere espesores considerables en los tubos.

Por tanto, el problema a resolver es encontrar una disposición óptico-geométrica que permita dejar holgura entre tubos vecinos, sin que dicho huelgo se constituya en un canal de pérdida de la radiación que no incide directamente en los tubos, y que podría reflejarse directamente en la pared de atrás del colector, escapándose del fin que interesa, que es la absorción de la radiación en el haz de tubos. El objetivo perseguido es, pues, idear una disposición de tubos y de pared posterior a ellos, con características reflectantes y geometría especificada, que permita separar los tubos entre sí sin perder radiación de la que incide originalmente.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención se ubica en una carcasa que sirve de receptor de radiación solar proveniente de un campo de espejos de la configuración que sea, tanto si son espejos de un eje en el seguimiento solar, tipo Fresnel de reflexión, como si son de dos ejes en el giro del espejo para el seguimiento el sol, cual es el caso de los campos de heliostatos para iluminación de torre central; consistiendo la invención en que los tubos del receptor se disponen paralelos entre sí, y paralelos a la pared del colector que está detrás de dichos tubos en el sentido de incidencia de la radiación, o pared posterior, estando recubierta dicha pared posterior de un elemento reflectante, seleccionado entre papel metalizado o cualquier sustancia que sea termoestable y reflectante a la temperatura de aplicación de la invención,

-situando dicha pared posterior en un plano virtual paralelo al plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras en el sentido de incidencia de la radiación,

-estando dicha pared posterior más cercana al haz de tubos que una posición limite, o como mucho en la posición límite, definida dicha posición límite de dicha pared posterior en una sección recta del colector, perpendicular a los tubos,

-estando dicha posición límite de la pared posterior en coincidencia con el plano virtual que coincide con los puntos de corte que existen, en dicha sección recta, entre cada tangente a dos tubos vecinos cualesquiera y la recta que es perpendicular a la recta que representa la pared posterior en dicha sección recta y a la vez pasa por el punto que representa el eje del segundo tubo que toca dicha tangente, tocando dicha tangente por la cara anterior del primer tubo al que toca, en el sentido de incidencia de la radiación, y tocando al segundo tubo por su cara posterior,

-llamando D al diámetro de los tubos, R al radio, H al huelgo dejado entre dos tubos consecutivos, P a la distancia entre ejes de dichos tubos, que es igual al diámetro más el huelgo, y por tanto P=D+H, y llamando semipaso S a la mitad del paso, y por tanto S=P/2, y, y llamando T a la distancia entre la posición límite de la pared posterior y el plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras,

-y expresando el valor de la distancia límite T en función de los datos geométricos del haz de tubos, llamando ángulo A al que tiene como coseno el valor del cociente entre el diámetro D y el paso P, y por tanto A=arc cos (D/P) = arc cos (D/ (D+H»,

-siendo el valor de la distancia límite, T, que existe como máximo entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, igual a la diferencia en la que el minuendo es el cociente del semipaso dividido por la tangente del ángulo A, y el sustraendo es el valor del radio R, y por tanto T= (S/tgA) -R

-que se puede reescribir como T = «R+ (H/2»/tgA) -R

-y a su vez al valor de la tg A se expresa en función del cociente entre el semipaso y el radio, denominado por C, siendo tg A = (C2 -1) 1/2, por lo cual la distancia límite T se expresa como T= «R+ (H/2»/ (C2 -1) 1/2) -R

-siendo la distancia real L entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, menor o igual a la distancia límite T.

Con la disposición expuesta se consigue atrapar una fracción de la radiación originaria que no incide directamente sobre los tubos, y es concretamente la que incide en la pared posterior en la zona que está justo detrás de los tubos, definiendo esta zona como el conjunto de segmentos de la recta que representa la pared posterior en la sección recta del colector, estando comprendidos cada uno de dichos segmentos entre los puntos donde inciden en...

-Receptor multitubular con radiación solar atrapada, ubicado en una carcasa o colector que sirve de receptor para la radiación proveniente de un campo de espejos de la configuración que sea, caracterizado porque los tubos del receptor se disponen paralelos entre sí, y paralelos a la pared del colector que está detrás de dichos tubos en el sentido de incidencia de la radiación, o pared posterior, estando recubierta dicha pared posterior de un elemento reflectante, seleccionado entre papel metalizado o cualquier sustancia que sea termoestable y reflectante a la temperatura de aplicación de la invención,

-situando dicha pared posterior en un plano virtual paralelo al plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras en el sentido de incidencia de la radiación,

-estando dicha pared posterior más cercana al haz de tubos que una posición limite, o como mucho en la posición límite, definida dicha posición límite de dicha pared posterior en una sección recta del colector, perpendicular a los tubos,

-estando dicha posición límite de la pared posterior en coincidencia con el plano virtual que coincide con los puntos de corte (19) que existen, en dicha sección recta, entre cada tangente (18) a dos tubos vecinos (16) cualesquiera y la recta que es perpendicular a la recta que representa la pared posterior (14) en dicha sección recta y a la vez pasa por el punto que representa el eje (17) del segundo tubo que toca dicha tangente, tocando dicha tangente por la cara anterior del primer tubo al que toca, en el sentido de incidencia de la radiación, y tocando al segundo tubo por su cara posterior,

-llamando D al diámetro de los tubos, H al huelgo dejado entre dos de ellos consecutivos, P a la distancia entre ejes de tubos, que es igual al diámetro más el huelgo, y por tanto P=D+H, y llamando semipaso S a la mitad del paso, y por tanto S=P/2, y R al radio, y llamando T a la distancia entre la posición límite de la pared posterior y el plano virtual tangente a los tubos por sus líneas generatrices más traseras,

-y expresando el valor de la distancia límite T en función de los datos geométricos del haz de tubos, llamando ángulo A al que tiene como coseno el valor del cociente entre el diámetro D y el paso P, y por tanto A=arc cos (D/P) = arc cos (D/ (D+H»,

-siendo el valor de la distancia límite, T, que existe como máximo entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos, igual a la diferencia en la que el minuendo es el cociente del semipaso dividido por la tangente del ángulo A, y el sustraendo es el valor del radio R, y por tanto T= (S/tgA) -R

-que se puede reescribir como T = «R+ (H/2»/tgA) -R

-y a su vez al valor de la tg A se expresa en función del cociente entre el semipaso y el radio, denominado por e, siendo tg A = (e2 -1) 1/2, por lo cual la distancia límite T se expresa como T= «R+ (H/2»/ (e2 -1) 1/2) -R

-siendo la distancia real L (46) entre la pared posterior (14) y las generatrices más traseras (44) de los tubos, menor o igual a la distancia límite T.

-Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según reivindicación primera, caracterizado porque en las zonas de la pared posterior que corresponden a un huelgo entre tubos, se dispone como protuberancia de la pared, un prisma longitudinal cuya sección recta es una cuña doble simétrica (15) , que arranca por cada lado en el punto donde incide la tangente (22) al tubo correspondiente y que es a la vez perpendicular a la pared posterior (14) , alcanzando dicha cuña la máxima altura, M, de protuberancia hacia los tubos, justo en el centro del huelgo, siendo esta altura M igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente del ángulo de cuña, denominado ángulo G, definido en función de otro ángulo característico de la geometría del haz de tubos, o ángulo referente de dispersión, B (51) , definido por ser su tangente igual al cociente entre un dividendo que es la suma del radio R más la distancia real L desde la línea trasera de los tubos hasta la pared posterior, y un divisor que es la suma del diámetro D, el radio R y el huelgo H, y por tanto tg B= (R+L) / (3· R + H)

B= arc tg«R+L) / (3· R + H»

G = (900 -B) /2

M= (H/2) tgG.

-Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque si el máximo ángulo de incidencia de la radiación correspondiente a su rayo extremo (38, 39) , respecto de la recta virtual normal a la pared posterior, es menor que el ángulo de incidencia respecto de la misma recta normal a la pared posterior, de una recta tangente a dos tubos consecutivos (18) , las cuñas simétricas tienen un ángulo (50) que es la semisuma del ángulo máximo de incidencia de la radiación original y el ángulo de incidencia de la tangente a dos tubos, siendo la altura M de las cuñas igual a la mitad de la anchura del huelgo por la tangente de este ángulo de cuña.

-Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia real L (46) entre la pared posterior y las generatrices más traseras de los tubos ha de ser mayor que el producto del radio R por el doble de la apertura de la luz solar natural, 0, 018 radianes, es decir

L > O, 018·R.

- Receptor multitubular con radiación solar atrapada, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en un mismo receptor puede haber diversas zonas que usen tubos de distinto diámetro separados por pasos diferentes, y las especificaciones de la invención se aplican independientemente en cada zona, estando separadas éstas por los cierres laterales (21) .

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6