Colector parabólico para una central solar.

Colector parabólico para una central solar con un concentrador desarrollado como membrana flexible y al que se puede aplicar presión en una celda de presión (10,

25,70), que a presión de servicio concentra la radiación solar (30,31) incidente en la celda de presión (10,25,70) sobre una zona de línea focal (34), y con una tubería de absorción (42,64) para la absorción de la radiación solar (30",31") concentrada, estando dispuesta la tubería de absorción (42,64) en la celda de presión (10,25,70) y, además, estando previsto un concentrador secundario (40,54,65) dentro de la celda de presión (10,25,70) que se encuentra en la vía de la radiación (30',31') concentrada y que está desarrollado de tal manera que la radiación (30',31') concentrada se concentra más sobre una zona de líneas focales secundarias o una línea focal secundaria en el lugar de la tubería de absorción (42,64), caracterizado por que la zona de líneas focales se encuentra fuera de la celda de presión (10,25,70).

Colector parabólico para una central solar La presente invención se refiere a un colector parabólico para una central solar según el concepto general de la reivindicación 1.

Las centrales termosolares producen desde hace ya un tiempo corriente eléctrica a escala industrial a precios que - frente a la energía fotovoltaica- se encuentran cerca de los precios comerciales usuales hoy en día para la corriente eléctrica generada con el tipo convencional.

En las centrales termosolares, la radiación del sol es reflejada a través de los colectores con la ayuda del concentrador, y es focalizada de forma encauzada sobre un lugar, en el cual por eso se generan altas temperaturas. El calor concentrado puede ser evacuado y puede ser empleado para la operación de máquinas motrices térmicas como las turbinas, las cuales a su vez accionan los generadores que generan la corriente eléctrica.

Hoy en día encuentran aplicación tres formas básicas de las centrales termosolares: los sistemas Dish-Sterling, los sistemas de central solar de torre y los sistemas parabólicos.

Las centrales parabólicas poseen colectores en gran cantidad, que presentan concentradores largos con escasa dimensión transversal y, con ello, no poseen un punto focal sino que poseen una línea focal, que dicta la diferencia fundamental en su construcción con respecto a las centrales del tipo Dish-Sterling y las centrales solares de torre. Estos concentradores de línea poseen hoy en día una longitud desde 20 m hasta 150 m, mientras que el ancho puede alcanzar 3 m, 5 m y más. En la línea focal discurre una tubería de absorción para el calor concentrado (hasta aproximadamente 400 °C) , la cual trasporta a este calor hacia la central. Como medio de transporte se ha considerado un fluido como, por ejemplo, aceite térmico o vapor de agua sobrecalentado, el cual circula por las tuberías de absorción.

Aunque se ha desarrollado un colector parabólico preferentemente como colector parabólico, se emplean frecuentemente los colectores parabólicos con concentradores desarrollados de forma esférica o sólo aproximadamente parabólica, puesto que un concentrador parabólico exacto, con las dimensiones indicadas anteriormente, solamente se puede fabricar con un gasto grande y, por ende, apenas conveniente.

Las 9 centrales parabólicas SEGS en el Sur de California producen conjuntamente una potencia de aproximadamente 350 MW; una central adicional en Nevada debe entrar actualmente a la red y suministrar sobre 60 MW. Otro ejemplo de una central parabólica es Andasol 1 en Andalucía, que se encuentra en construcción, con una superficie de concentrador de 510 000 m² y una potencia de 50 MW, con lo cual se ha de alcanzar la temperatura en las tuberías de absorción de aproximadamente 400 °C. El sistema de potencia para la circulación del fluido que transporta el calor puede alcanzar en las centrales de este tipo hasta 100 km o más, cuando sean realizados los conceptos para las futuras plantas a gran escala. Los costos para Andasol 1 se han presupuestados en varios cientos de millones de ?.

En una forma aproximada, se puede retener que una porción siempre más grande de los costos totales, actualmente, por ejemplo, 65 % o más, recaen, en una central solar de esta característica, sobre los colectores 45 parabólicos y sobre el sistema de potencia para el fluido que transporta el calor.

A la vista de los altos costos de construcción indicados y también de los altos costos de mantenimiento para tales colectores parabólicos, se propusieron oportunamente formas de construcción, en las cuales se ha reducido el ensuciamiento de la superficie del concentrados reflectante y, por consiguiente, el gasto de mantenimiento, pero también el gasto para la construcción del mismo colector.

Así, el documento FR-PS 1.319.144 muestra un colector parabólico o un colector de cubeta para una central solar del tipo indicado anteriormente, el cual presenta una celda de presión cilíndrica de una membrana flexible, que presenta una sección transparente y una sección reflectante. Debido a la presión interna aumentada, la celda de 55 presión cilíndrica se mantiene en su forma, de manera que la radiación solar que tiene incidencia a través de la sección transparente llega sobre la sección reflectante, curvada de forma esférica y, desde esta, se concentra sobre una tubería de absorción que discurre por la celda de presión.

Con una disposición de este tipo es fundamentalmente imaginable calentar una tubería de absorción, a lo largo de su extensión, que discurre a través de la celda de presión cilíndrica, estando protegida por la celda de presión ante el ensuciamiento y ante el enfriamiento por el viento. El así suprimido gasto para la limpieza de la tubería de absorción y, especialmente, la protección ante el enfriamiento son factores de costos no menospreciables en la producción de la corriente eléctrica de origen solar a escala industrial.

Una tubería de absorción convencional, por ejemplo, que discurre a la intemperie, pierde por la radiación térmica y por el enfriamiento debido al aire del entorno hasta 100 W/m, lo cual en una longitud de tubería de hasta 100 km (o

más) corresponde a una pérdida de 10 MW. Cada reducción de esta pérdida, por ejemplo, mediante la protección debido al enfriamiento por el viento, es por eso de importancia y se debe procurar conseguirla.

Además, el desarrollo del concentrador como membrana flexible, que posee un peso menor, permite construir toda la estructura portante del colector de forma más simple y, por ende, de forma más ventajosa, ya que frente a los espejos macizos convencionales apoyan considerablemente menos peso (correspondiente a la posición del sol) y deben ser girados. Finalmente, un concentrador que consta de una membrana flexible se puede fabricar también de forma más favorable y es más simple de llevarlo al sitio de construcción (que por su propia naturaleza se puede encontrar en zonas retiradas, por ejemplo, en un desierto) , y también es más simple de montar, comparado con los concentradores convencionales.

El desarrollo de un colector parabólico con una celda de presión cilíndrica, sin embargo, no es practicable debido a las dimensiones indicadas anteriormente que son requeridas hoy en día. La superficie de ataque extremadamente grande formada por el cuerpo de membrana cilíndrico para, por ejemplo, el viento, requiere un refuerzo de la celda de presión cilíndrica por una celosía maciza, como ya es mencionado en el documento FR-PS indicado con respecto a "nervures annulaires" (nervaduras anulares) reforzadas del cuerpo cilíndrico. Mediante una celosía de este tipo, la cual entra en una estructura portante más liviana y más simple de construir para el cilindro, la forma de ejecución dada a conocer en el documento FR-PS pierde en medida considerable las ventajas mencionadas al comienzo respecto a una construcción más liviana y más favorable.

El documento FR-PS 2 326 347 muestra la misma forma constructiva de un colector parabólico con cuerpos colectores inflables. Aquí se considera que la radiación solar que incide sobre la sección transparente de la membrana se refleja parcialmente en función del ángulo de incidencia; prácticamente no, cuando la radiación solar incide verticalmente sobre la sección transparente, y con una porción ascendente, mientras llegue con más inclinación.

Una celda de presión con forma cilíndrica tiene la correspondiente propiedad, que (visto en dirección de la radiación solar) los rayos solares que inciden lateralmente se reflejan esencialmente, es decir, alcanzan al concentrador solamente en una porción reducida.

El colector parabólico representado en el documento FR-PS 2 363 347 de manera correspondiente posee una capa reflectante, la cual no se extiende sobre la posible mitad de la camisa del cilindro en sí, sino solamente sobre un segmento de esta mitad de cilindro.

De esta forma se obtiene, bajo la misma superficie del concentrador, un diámetro del cilindro aun más grande, comparado con la forma constructiva según el documento FS-PS 1 319 144, lo cual de manera correspondiente es menos favorable. Se busca la subsanación, por cuanto en el cuerpo cilíndrico se "cortan", por decirlo así, las secciones del revestimiento que discurren de forma paralela a la radiación solar; así se obtiene una estructura lenticular biconvexa, cuyo espesor o bien cuya altura, con respecto al diámetro del cilindro, está reducido en la porción invariable de luz solar incidente o bien reflectante.

La estructura biconvexa también puede ser reemplazada por una estructura, en la cual la membrana transparente está reemplazada por una placa fija (transparente) ,... [Seguir leyendo]

1. Colector parabólico para una central solar con un concentrador desarrollado como membrana flexible y al que se puede aplicar presión en una celda de presión (10, 25, 70) , que a presión de servicio concentra la radiación solar (30, 31) incidente en la celda de presión (10, 25, 70) sobre una zona de línea focal (34) , y con una tubería de absorción (42, 64) para la absorción de la radiación solar (30", 31") concentrada, estando dispuesta la tubería de absorción (42, 64) en la celda de presión (10, 25, 70) y, además, estando previsto un concentrador secundario (40, 54, 65) dentro de la celda de presión (10, 25, 70) que se encuentra en la vía de la radiación (30, 31) concentrada y que está desarrollado de tal manera que la radiación (30, 31) concentrada se concentra más sobre una zona de líneas focales secundarias o una línea focal secundaria en el lugar de la tubería de absorción (42, 64) , caracterizado por que la zona de líneas focales se encuentra fuera de la celda de presión (10, 25, 70) .

2. Colector parabólico según la reivindicación 1, presentando la celda de presión (10, 25, 70) formada por lo menos parcialmente por una membrana flexible una zona transparente para la radiación solar (30, 31) que hay que reflejar, presentando el concentrador (33, 60, 71) un lado (74) reflectante de la radiación solar (30, 31) orientado hacia la zona transparente, y un lado (75) en sentido opuesto a la radiación (30, 31) , dividiéndose al mismo tiempo la celda de presión (10, 25, 70) en una primera cámara de presión (72) y una segunda cámara de presión (73) , y estando previstos medios configurados como ventiladores (78, 80) , con el fin de generar y mantener en cada una de las cámaras de presión (72, 73) la presión de servicio en una determinada medida cuando durante el funcionamiento se modifica el volumen en una o en ambas cámaras de presión (72, 73) por influencias externas.

3. Colector parabólico según las reivindicaciones 1 o 2, siendo la presión diferencial predeterminada menor de 0, 5 mbar, preferentemente en un intervalo desde 0, 05 hasta 0, 2 mbar y, con especial preferencia, que se encuentra en el intervalo desde 0, 05 hasta 0, 1 mbar, y/o estando dispuesto el concentrador secundario (40, 54, 65) de manera opuesta al concentrador (33, 60, 71) , cerca de la membrana (26) con la zona transparente para la radiación solar (30, 31) , y discurriendo la tubería de absorción (42, 64) entre el concentrador (33, 60, 71) y el concentrador secundario (40, 54, 65) .

4. Colector parabólico según una de las reivindicaciones 1 a 3, presentando la tubería de absorción (64) un revestimiento (77) que reduce la emisión de calor hacia el exterior, y una abertura térmica (72) que discurre longitudinalmente en el revestimiento (77) , permitiendo dicha abertura (72) el paso de la radiación solar (30, 31) concentrada posteriormente desde el concentrador secundario (40, 54, 65) a través del revestimiento (77) hacia la cámara interna (73) de la tubería de absorción (42, 64) , estando además desarrollada la tubería de absorción (64) de tal forma que un fluido que transporta calor circula entre el revestimiento (77) y la cámara interna (73) y de este modo puede evacuar el calor de radiación incidido a través de la abertura térmica (72) .

5. Colector parabólico según la reivindicación 1, estando divididos el concentrador (33, 51, 60, 71) y el concentrador secundario (40, 54, 65) cada uno en dos zonas simétricas entre sí que discurren longitudinalmente.

6. Procedimiento para la fabricación de un colector parabólico según la reivindicación 1, que comprende los siguientes pasos para determinar la forma de la superficie reflectante del concentrador secundario:

adopción de al menos un plano transversal del concentrador secundario, procediendo en este como sigue:

determinación del vector unitario s () de la radiación solar incidente

determinación del vector unitario s () de la radiación solar reflejada en el concentrador

adopción de un vector unitario s () de la radiación solar reflejada en el concentrador secundario

determinación de un número de puntos SM () sobre el concentrador secundario a través del vector PM () , encontrándose PM () sobre el concentrador, y siendo SM () = PM () + k·s ()

determinación del factor k de tal forma que s () pasa a través del punto focal predeterminado o de la línea focal F de la disposición existente del concentrador y del concentrador secundario

determinación de la curva, y por consiguiente, la forma buscada de la superficie reflectante que pasa a través del número obtenido de puntos SM ()

transferencia de la curva, obtenida al aplicar los pasos anteriores, sobre el concentrador secundario para la 55 formación de su superficie reflectante.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, determinándose el factor k mediante la equiparación de los productos escalares

** (Ver fórmula) **

siendo t () la tangente aplicada en el punto SM () en el concentrador secundario y estando preferentemente la ecuación

** (Ver fórmula) **

resuelta por dk/d y determinándose numéricamente los valores de k de la integral elíptica resultante.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 6 a 7, suponiéndose para mayor simplificación los rayos solares 31 paralelos y/o suponiéndose el concentrador arqueado en sección transversal.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 6 a 8, suponiéndose el origen del sistema de 5 coordenadas en el punto central de curvatura del concentrador.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 6 a 9, determinándose la curva mediante los puntos SM () obtenidos por el método de los mínimos cuadrados.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 6 a 10, transfiriéndose la curva a un bloque de gomaespuma y cubriéndose la superficie curvada creada de esta forma con una lámina reflectante.