Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar.

Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar.

Sistema basado en montar en el extremo del espejo o espejos longitudinales de un colector lineal, un espejo plano perpendicular al eje longitudinal del colector, siendo el espejo de forma y tamaño que coincide en su base con la línea continua de la sección recta del espejo o franjas longitudinales de espejos del colector en dicho extremo, y por cada lateral asciende en línea recta desde el punto más exterior por ese lado del espejo o franjas de espejos, hasta el punto más exterior del receptor por ese lado. El espejo puede dividirse en módulos orientables de eje vertical, y además puede ser inclinado verticalmente, para proporcionar una distribución deseada de intensidad de radiación sobre el receptor.

Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los colectores de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales cuyos ejes más largos son horizontales o levemente inclinados, pudiendo corresponder los espejos a una misma parábola en su sección recta, por lo que se denominan cilindro-parabólicos; o pudiendo fraccionarse el campo de espejos en un conjunto de franjas longitudinales cada una de las cuales corresponde a un perfil parabólico distinto, teniendo todos los espejos o franjas de espejos una misma línea focal, que es donde se sitúa el receptor. Este es un conjunto de tubos por donde circula el fluido calorífero, en el caso de las aplicaciones termosolares, y en conjunto de obleas de fotodiodos si la aplicación es fotovoltaica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Antecedentes de concentradores de espejos orientables con configuración longitudinal hay muchos, y se pueden dividir en dispositivos cilindro-parabólicos, si los espejos tienen una única parábola como sección recta, o Fresnel, si está el campo de espejos dividido en franjas. Como caso longitudinal horizontal plano cabe citar la solicitud internacional WO 99/42765, y como cilindro-parabólico el descrito en la patente US 4, 243, 019. De los propios solicitantes se puede mencionar la patente ES2345427B2 (P201000644) .

Hay muchos otros documentos que presentan mejoras parciales, como el documento DE102007026473 (A1) , que presenta una mejora del sistema de giro de un cilindro-parabólico, o el DE102011056790 (A1) que propone unas barras de torsión para hacer más robusto y preciso el mecanismo de seguimiento solar. En general los montajes de los colectores, tal como se describe en WO2012110332 (A1) , se conforman en cadena mucho más larga que la distancia media desde los espejos al receptor en el plano transversal, por lo cual las pérdidas de radiación son pequeñas (menores de 1% en los casos habituales) y no se les presta atención.

En el artículo publicado por Mills y Morrison en “Solar Energy”, volumen 68, páginas 263-283, año 2000, titulado “Compact linear Fresnel reflector solar thermal power plant”, se añade en la parte trasera del reflector, particularmente en la figura 3, un espejo transversal, como solución elemental para evitar las llamadas “end losses”, pero no se hace ningún análisis de las relaciones geométricas existentes entre los diversos espejos y su interacción óptica con el receptor, con lo cual dichos espejos quedan sin especificar, y sus efectos sin caracterizar.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema consiste en configurar el dispositivo de concentración de tal modo que se eviten las pérdidas de radiación reflejada en las partes más extremas de un colector lineal, y además se aprovechen eficientemente proyectándolas sobre el receptor, dado que estas pérdidas son apreciables cuando la trayectoria de la radiación solar original tiene una componente vectorial muy larga en sentido longitudinal. Ello equivale a que la radiación solar original presente en ese momento un valor pequeño del ángulo agudo que existe en la proyección de la incidencia de dicha radiación solar original con el plano horizontal del lugar, efectuándose la citada proyección sobre el plano medio longitudinal vertical del sistema colector, compuesto de un reflector o conjunto de espejos, y un receptor, (al cual separa virtualmente en dos mitades) .

Un parámetro importante para la caracterización del problema y su solución es el valor mínimo que adquiere dicho ángulo en el funcionamiento del colector; por debajo del cual, el colector no entra en funcionamiento ni se enfoca al sol; denominándose a dicho valor: ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal.

El fenómeno considerado depende de la ubicación del eje del colector. Si es en disposición Norte-Sur, las pérdidas solo se dan en el extremo norte, si el colector está en el hemisferio Norte; y viceversa, si está en el Sur.

En los montajes Este-Oeste, las pérdidas por la mañana se producen en el Oeste; y por la tarde en el Este. Se da en estos casos un problema añadido, y es la sombra que cualquier aditamento que se ubique en un extremo pueda proyectar sobre parte del campo de espejos.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en situar en el extremo del reflector longitudinal de un colector lineal, un espejo plano perpendicular al eje longitudinal del colector, que constituye el espejo de cierre por dicho extremo, siendo dicho espejo de cierre en forma y tamaño coincidente en su base con la línea continua de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha línea es continua; y siendo coincidente la base de dicho espejo de cierre, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, con la línea horizontal que pasa por el punto más bajo que alcanza cualquier extremo de dichas franjas en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor; extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor, por ese lado, con el punto más exterior de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha sección recta es continua; y extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor, por ese lado, con el punto más alejado respecto del plano medio longitudinal, al que llega el extremo exterior de la franja más exterior del reflector, en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor.

Como variante de materialización de la invención, el espejo plano perpendicular ubicado en el extremo se subdivide en un conjunto de espejos planos y perpendiculares, que son giratorios alrededor de un eje vertical central al cual están solidariamente unidos; pudiendo además subdividirse cada franja vertical en módulos de espejo, según la altura.

Esta subdivisión permite minimizar el efecto de sobrepresión dinámica del viento sobre la estructura, pues un único espejo, fijo, provocaría una resistencia considerable al paso del viento. Los espejos modulares verticales pueden quedar en giro libre (o casi libre) en caso de mucho viento, minimizando así los esfuerzos que tiene que soportar la estructura.

Como prescripción adicional en los montajes según el paralelo, con eje longitudinal del colector en sentido Este-Oeste, para evitar sombras de los espejos de cierre por los extremos, cada uno de estos espejos se compone de un conjunto de espejos modulares verticales y giratorios a voluntad alrededor de los ejes verticales correspondientes, para lo cual van previstos de un motor, y durante las horas anteriores al mediodía, cada módulo de espejo del extremo oriental se gira manteniendo la cara del espejo contenida en el plano virtual que forman el eje de giro del espejo y la posición del sol en ese momento; y durante las horas posteriores al mediodía, las mismas prescripciones se aplican al conjunto de módulos de espejo del extremo occidental.

La invención incluye la disposición de los espejos del extremo no en posición transversal perfectamente perpendicular al eje del colector, sino con inclinación del espejo en sentido vertical y con cierto giro en sentido transversal; siendo la selección de base de la invención que la inclinación vertical sea mirando el espejo hacia abajo con un giro seleccionado entre 0 grados sexagesimales y la mitad del valor del ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal; y el giro lateral sea mirando el espejo hacia afuera, con un ángulo de giro entre 0 grados sexagesimales y el arco cuya tangente sea 5 veces el cociente entre la anchura y la longitud del receptor (por razones de óptica geométrica que se expondrán al describir el montaje preferente) .

El valor de la inclinación y del giro transversal dependen de la distribución superficial de radiación incidente que se desee producir en el receptor, lo cual a su vez depende de su anchura, y también depende de la inclinación de la radiación solar incidente.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los elementos son muy dispares; pero son representativas de la invención y de sus principios de funcionamiento.

La figura 1 muestra un esquema, en sección recta, del...

–Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, caracterizado por que en el extremo de un reflector longitudinal concentrador (5, 12) de la radiación solar, se monta un espejo plano (37) perpendicular al eje longitudinal del colector, que constituye el espejo de cierre por dicho extremo, siendo dicho espejo de cierre en forma y tamaño coincidente en su base con la línea continua (79) de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha línea es continua; y siendo coincidente la base de dicho espejo de cierre, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, con la línea horizontal que pasa por el punto más bajo (77) que alcanza cualquier extremo de dichas franjas en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor (1) ; extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor (2) , por ese lado, con el punto más exterior (80) de la sección recta del reflector longitudinal, cuando dicha sección recta es continua; y extendiéndose lateralmente el espejo de cierre, por cada lado, cuando el reflector está constituido por franjas longitudinales, hasta la línea recta que une el punto más exterior del receptor (2) , por ese lado, con el punto más alejado (78) respecto del plano medio longitudinal, al que llega el extremo exterior de la franja más exterior del reflector, en su giro para enfocar la radiación solar sobre el receptor (1) .

– Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación primera, caracterizado por que el espejo plano perpendicular (37) ubicado en el extremo se subdivide en un conjunto de espejos planos y verticales, que son giratorios alrededor de un eje vertical central al cual están solidariamente unidos, pudiendo además subdividirse cada franja vertical en módulos (55) de espejo, según la altura.

– Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el espejo plano (24) del extremo se dispone con inclinación del espejo en sentido vertical y con cierto giro en sentido transversal.

-Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación tercera, caracterizado por que la selección de base de la invención es que la inclinación vertical sea mirando el espejo hacia abajo con un giro seleccionado entre 0 grados sexagesimales y la mitad del valor del ángulo mínimo, en la proyección en el plano medio longitudinal, de la incidencia de la radiación solar con el plano horizontal; y el giro lateral sea mirando el espejo hacia afuera, con un ángulo de giro entre 0 grados sexagesimales y el arco cuya tangente sea 5 veces el cociente entre la anchura y la longitud del receptor.

- Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en los montajes según el paralelo, con eje longitudinal del colector en sentido Este-Oeste, para evitar sombras de los espejos de cierre por los extremos, cada uno de estos espejos se compone de un conjunto de espejos modulares verticales y giratorios a voluntad alrededor de los ejes verticales correspondientes, para lo cual van previstos de un motor, y durante las horas anteriores al mediodía, cada módulo de espejo del extremo oriental se gira manteniendo la cara del espejo contenida en el plano virtual que forman el eje de giro del espejo y la posición del sol en ese momento; y durante las horas posteriores al mediodía, las mismas prescripciones se aplican al conjunto de módulos de espejo del extremo occidental.

-Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en un concentrador de franjas longitudinales y receptor en altura, el espejo de cierre se compone de dos semi-espejos, uno a cada lado del plano medio longitudinal, y cada semi-espejo se fija en un bastidor con un larguero vertical (59) que va unido por bisagras (60) al mástil principal

(58) de soporte del espejo; estando el bastidor completado por los traveseros horizontales superior (61) e inferior (66) , más un larguero exterior (63) en el que apoya el eje de giro (62) que permite dar mayor o menos inclinación al conjunto del bastidor con su semi-espejo, para lo cual el sistema de sujeción del espejo incorpora un tren de dos ruedas (70, 71) que giran alrededor del travesero inferior (66) y deslizan sobre una superficie con curvatura (72) que se asienta en la placa base (67) por la que rueda además la rueda (69) de soporte del semi-espejo y su bastidor, que hace girar el conjunto alrededor de las bisagras (60) variando así el ángulo de apertura o cierre transversal del bastidor con su semiespejo

-Sistema de espejos transversales en los extremos de un concentrador longitudinal de la radiación solar, según reivindicación 6, caracterizado por que el bastidor se completa con travesaños intermedios (73) y largueros interiores

(65) para asentar los módulos de espejo (55) , separando los ejes (56) de una misma vertical mediante bujes (74) .

Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17