Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar.

Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar.

Plataforma horizontal giratoria donde se ubican franjas longitudinales simétricas de espejos parabólicos, y en paralelo y en altura se ubica sobre unos báculos el receptor de radiación, con su línea focal dentro del plano vertical de simetría, estando dichos báculos firmemente unidos a la plataforma, que gira sobre al menos dos juegos de ruedas concéntricos, y en su giro el plano vertical de simetría del dispositivo contiene virtualmente al disco solar. Los perfiles parabólicos se prescriben para que los espejos se puedan hacer con espejos planos originalmente, que se deforman por su propio peso o por la acción de las grapas los extremos, adaptándose a la configuración requerida para el enfoque óptico.

DISPOSITIVO ROTATORIO HORIZONTAL DE CONCENTRACIÓN

DE LA RADIACIÓN SOLAR

DESCRIPCIÓN 5

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación solar directa que es reflejada por una serie de espejos, de características variadas según los dispositivos, pudiendo 10 tener uno o dos ejes orientables cada espejo para el seguimiento solar.

La invención trata concretamente de los espejos de un solo eje de concentración, de tipo cilíndrico, de sección recta parabólica o línea aproximada, teniendo todos los espejos una línea focal común, que es hacia donde 15 convergen los haces de radiación reflejada. La reflexión no es perfecta, porque la propia radiación solar tiene en la tierra una apertura de 9 milirradianes, la cual se amplifica en el proceso de reflexión, llegando a una apertura superior a 20 milirradianes incluso. La invención está relacionada con los montajes denominados Fresnel de reflexión, en los cuales varios espejos de ejes paralelos 20 enfocan la radiación hacia una misma línea focal, pero la invención tiene características radicalmente diferentes de las de dicha familia Fresnel, cuyos espejos giran, cada uno, alrededor de su eje longitudinal de simetría.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La invención tiene antecedentes inmediatos, por lo que comporta a los montajes Fresnel en sí, incluyendo varios documentos de los propios solicitantes, como son las patentes ES2346629, ES2345759, ES2345427 y ES2396078, que presentan diversas configuraciones para aprovechar el efecto de reflexión óptica 30 con objeto de hacer incidir radiación de alta intensidad sobre un receptor que la absorbe y la transfiere a un fluido calorífero. En la última de las patentes mencionadas, ES2396078, se hace presentación, particularmente, de un montaje de espejos y de receptor inclinado respecto de la horizontal, con objeto de facilitar el drenaje de dicho fluido calorífero cuando sea requerido, como es el 35 caso de las sales fundidas si hay riesgo de congelación. Estos antecedentes citados hacen referencia a Fresnel convencionales, cuyos ejes están estáticos, y los espejos giran alrededor de ellos, estando también estático el receptor, que aproximadamente coincide en su línea media con la línea focal de los espejos.

Por otro lado la invención se relaciona con los sistemas de concentración de la 5 radiación solar de tipo rotativo, generalmente aplicado a las configuraciones de espejos con dos ejes de giro perpendiculares entre sí, como es el caso de los espejos paraboloides de revolución, de los cuales hay un ejemplo en el documento WO 2005/124245 A2. Más cercanos al tema que nos ocupa son los documentos que publican dispositivos en los cuales lo que gira es una 10 plataforma con un montaje Fresnel o un montaje de espejos parabólicos independientes, con línea focal propia, pero paralelos entre sí. Tal es el caso de los documentos WO 2002/097341 A1, WO 2007/109901 A1, WO 2009/121174 A1.

Todos ellos, y especialmente este último tratan de montajes en los que gira la plataforma en sentido acimutal y además gira el conjunto de espejos en inclinación, para seguir más certeramente la trayectoria solar. Los discos parabólicos de revolución también giran en dos ejes, uno para el giro azimutal y otro para el giro ascensional, y son numerosos los precedentes sobre esos 20 montajes.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

Las configuraciones con dos giros de seguimiento solar son considerablemente 25 caras por la estructura que comportan y la precisión que requieren, la cual es especialmente complicada cuando el sistema es apreciablemente grande y de mucho peso. Por otro lado, si no se produce la inclinación de los espejos, lo que resulta con inclinación variable a lo largo del día y estacionalmente es la incidencia de la radiación solar sobre los espejos, lo cual a su vez produce que 30 los haces reflejados salgan con distinta inclinación, y por tanto confluyan en tramos distintos de la línea focal (en la que se ubica el receptor) .

Desde el punto de vista mecánico y económico, lo ideal es minimizar los movimientos de alta precisión requeridos para el seguimiento solar, sin perder una cantidad de radiación reflejada apreciable. Téngase en cuenta, por ejemplo, que si la radiación está incidiendo sobre un espejo con una inclinación de 45 grados, y el espejo está horizontal, la radiación reflejada saldrá también con 45 5 grados de inclinación, lo que significa que recorre en sentido longitudinal el mismo tramo que recorre en sentido ascensional, puesto que la tangente es 1. Como el rayo reflejado ha de recorrer en altura la distancia que hay desde el punto de reflexión hasta donde impacte la línea focal, el impacto en esta línea se produce mucho más allá, en sentido de la propagación de la radiación, que la 10 posición en la línea focal que está en el plano perpendicular a dicha línea y contiene al punto donde ha ocurrido la reflexión.

Para evitar la fuga de radiación por el extremo opuesto al que se encuentra el sol, se disponen espejos verticales o ligeramente inclinados hacia el área de 15 fuera o de dentro, lejana o cercana, a la cual se quiere dirigir dicha radiación reflejada, lo cual ha sido hecho público ya, como por ejemplo en la solicitud de patente P201430106, y en otros documentos previos tales como FR2396245, US 2009000693 A1 y WO2010109508.

Adicionalmente hay que considerar el desfase de llegada al receptor de los rayos reflejados desde los diversos espejos, pues cuanto más lejano esté un espejo, más ha de recorrer la radiación reflejada en sentido transversal y, por ende, más se desplazará hacia adelante en sentido longitudinal. Eso obliga a dimensionar la plataforma giratoria de espejos con prescripciones adecuadas, que no están 25 establecidas en el estado del arte; como tampoco está satisfactoriamente resuelto el giro perfectamente equilibrado, pero sin eje central; ni tampoco se ha tenido éxito en encontrar una manera rigurosa de fabricar y montar de forma muy barata espejos de curvatura parabólica.

El problema a resolver pues se centra en encontrar una configuración mecánicamente sencilla y con garantía de rigidez, que compatibilice gran precisión para concentrar la radiación solar sobre el receptor, con unos métodos simples pero fiables para fabricar y montar los elementos de estos dispositivos.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención está constituida por 5

- una plataforma horizontal, giratoria alrededor de un eje virtual vertical, sobre la que descansa una pluralidad de espejos longitudinales de sección recta transversal parabólica, tendidos horizontalmente y paralelos entre sí, con una configuración simétrica respecto de un plano vertical que contiene al eje vertical virtual, y que constituye el plano que guía la orientación del 10 dispositivo respecto al sol, siendo el criterio de enfoque que el sol, como disco puntual visto desde la Tierra, se halle en el plano de simetría del dispositivo; contando además el dispositivo con un receptor longitudinal de radiación, ubicado en altura sobre la plataforma mediante unos báculos o unos pórticos que son solidarios a dicha plataforma, estando la línea central 15 del receptor contenida en el plano vertical de simetría del campo de espejos que descansa sobre la plataforma;

- estando dicha plataforma horizontal asentada sobre las patas que se apoyan en las ruedas de cada uno de los anillos de rodadura que, al menos en número de dos, posibilitan el giro alrededor del eje vertical virtual; 20

- y estando los espejos hechos de una sucesión de mosaicos de espejo dispuestos en sentido longitudinal, que se mantienen solidarios respecto de la plataforma rotativa porque cada mosaico está sostenido firme en su posición por cuatro grapas, ubicadas en los laterales del mosaico, cada una cerca de una esquina del mosaico, habiendo dos grapas de un mosaico que 25 están aferradas a un larguero longitudinal interior y estando las otras dos grapas aferradas a un larguero longitudinal exterior, estando dichos largueros sujetos a la estructura de la plataforma rotatoria y soportados por ella, existiendo dos largueros por cada fila de espejo, aunque los largueros adyacentes de filas vecinas se pueden ensamblar entre sí formando una 30 jácena longitudinal;

- teniendo cada grapa de sujeción una ubicación espacial concreta que coincide con un punto de un perfil parabólico virtual, teniendo la grapa en cuestión una inclinación en ese punto que coincide con la recta tangente a dicho perfil en dicho punto, y teniendo dicho perfil parabólico su foco en el punto seleccionado como foco para todo el conjunto de parábolas...

-Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, consistente en una plataforma horizontal, giratoria alrededor de un eje virtual vertical, sobre la que descansa una pluralidad de espejos longitudinales de sección recta transversal parabólica, tendidos horizontalmente y paralelos entre 5 sí, con una configuración simétrica respecto de un plano vertical que contiene al eje vertical virtual, y que constituye el plano que guía la orientación del dispositivo respecto al sol, siendo el criterio de enfoque que el sol, como disco puntual visto desde la Tierra, se halle en el plano de simetría del dispositivo; contando además el dispositivo con un receptor longitudinal de radiación, 10 ubicado en altura sobre la plataforma mediante unos báculos o unos pórticos que son solidarios a dicha plataforma, estando la línea central del receptor contenida en el plano vertical de simetría del campo de espejos que descansa sobre la plataforma, caracterizado por que los espejos están hechos de una sucesión de mosaicos de espejo dispuestos en sentido longitudinal, que se 15 mantienen solidarios respecto de la plataforma rotativa porque cada mosaico está sostenido firme en su posición por cuatro grapas, ubicadas en los laterales del mosaico, cada una cerca de una esquina del mosaico, habiendo dos grapas de un mosaico que están aferradas a un larguero longitudinal interior y estando las otras dos grapas aferradas a un larguero longitudinal exterior, estando dichos 20 largueros sujetos a la estructura de la plataforma rotatoria y soportados por ella, existiendo dos largueros por cada fila o franja de espejo, aunque los largueros adyacentes de filas vecinas se pueden ensamblar entre sí formando una jácena longitudinal; teniendo cada grapa de sujeción una ubicación espacial concreta que coincide con un punto de un perfil parabólico virtual de enfoque, teniendo la 25 grapa en cuestión una inclinación en ese punto que coincide con la recta tangente a dicho perfil en dicho punto, y teniendo dicho perfil parabólico su foco en el punto seleccionado como foco para todo el conjunto de parábolas virtuales de las cuales se extraen los perfiles de los mosaicos de espejo, para lo cual la distancia del foco, que es siempre el mismo, al mínimo de cada parábola es la 30 cuarta parte del inverso del coeficiente de proporcionalidad que multiplica al cuadrado de la abscisa de dicha parábola virtual de enfoque para obtener la ordenada correspondiente.

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, según la reivindicación primera, caracterizado por que los mosaicos de espejo usados en el dispositivo están fabricados originalmente como planos, y el dispositivo contiene dos parejas de grapas para cada mosaico que aferran a 5 cada mosaico por cada lado, lo cual crea un momento en cada grapa y en la porción de mosaico atenazada por la grapa, haciéndola girar un pequeño ángulo respecto de la pendiente plana natural del espejo original, lo cual origina una deformación parabólica, donde el coeficiente de proporcionalidad entre la posición del punto a lo largo de la parábola, o abscisa, al cuadrado, y su 10 deformación vertical, sea un coeficiente que es la mitad del valor del momento flector de los extremos, dividido por el producto del módulo de Young del material del espejo multiplicado por el momento de inercia de la sección recta del espejo; y los mosaicos se presentan planos sobre las cuatro grapas cuando éstas giran libremente sobre las bisagras que las unen al larguero 15 correspondiente, y dichas grapas se fuerzan y se cierran, con lo que el mosaico en cuestión queda firmemente sujeto con un perfil parabólico que pasa por los puntos medios de cada grapa, y además en ellos adquiere la pendiente que coincide con dicho perfil parabólico.

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, según reivindicaciones primera o segunda, caracterizado por que los espejos se montan con cierta inclinación, aumentado progresivamente la altura de los espejos sobre el horizonte local a medida que el punto del espejo se aleja del extremo por donde entra la radiación solar. 25

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, según cualquiera de las reivindicaciones primera, segunda o tercera, caracterizado por que las franjas de espejos, a medida que se separan de la línea central de simetría, se han de ir acortando por el extremo contrario al que 30 entra la radiación solar, y en igual medida se han de ir alargando por el extremo por el que reciben la radiación solar, lo cual se mide como un desplazamiento hacia el sol de cada espejo cuanto más alejado esté dicho espejo respecto de la línea central de simetría, siendo dicho desplazamiento el producto de la altura ortogonal (56) de la línea focal (2) del receptor sobre la cota de la línea longitudinal del espejo por la tangente de un ángulo de referencia (50) seleccionado en un margen de ángulos alrededor de un valor central igual a la latitud del lugar de aplicación de la invención menos el ángulo (35) de inclinación 5 de los espejos sobre la horizontal, estando el margen definido desde dicho valor central menos 23 grados sexagesimales hasta dicho valor central más 23 grados sexagesimales.

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, 10 según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la materialización del conjunto de espejos, si estos tienen un peso específico de y tienen un módulo de Young E y soportan como límite una tensión M, se hace:

- usando un espejo de espesor contenido entre un valor máximo â que, en función de la anchura del mosaico L y la altura del foco sobre el ápice de la 15 parábola, h, vale

o â = L· (10··h/E) 1/2 y un valor mínimo ä que vale

o ä= 6··L2/8·M

- poniendo grapas en el extremo interior y en el extremo exterior, que tengan la cota que corresponde a la parábola óptica de enfoque en ese punto, y que 20 además tengan la misma pendiente que la parábola óptica en su punto correspondiente, lo cual para el primer mosaico por la derecha (el de la izquierda es simétrico) vale:

- grapa interior con cota= 0 y pendiente = 0 (horizontal)

- grapa exterior con cota = L2/4·h, siendo h la a altura del foco 25 sobre el ápice o mínimo de la parábola de enfoque, y pendiente = L/2·h;

e intercalando largueros de apoyo simple paralelos entre sí y con los largueros interior y exterior, poniendo un número N de largueros de apoyo según la precisión de enfoque que se desee, estando 30 uniformemente distribuidos entre el larguero interior y el exterior, de tal forma que para el larguero de apoyo que hace el número "n" en esa serie, su

- abscisa A (n) corresponde a A (n) = n·L/ (N+1)

- y su ordenada o cota sobre el ápice de la parábola, C (n) es igual a C (n) =A (n) 2/4·h

y en la segunda y sucesivas franjas de espejo se cambia el valor de la distancia del foco al ápice de la correspondiente parábola, cuyo ápice y tramo central de la parábola propiamente dichos no existen, pues la segunda franja comienza en L1 5 que es muy ligeramente superior a L, para acomodar bien el larguero exterior del primer tramo, y el larguero interior del segundo tramo, por lo cual se puede escribir que L1=L, y se extiende dicha segunda franja hasta L2; y así sucesivamente, y para la franja de espejo número n, su altura hn de foco a ápice es 10

hn= h· (Ln2 + Ln-12) /L2

teniendo todas las sucesivas parábolas el foco en el mismo punto, y viniendo referidas todas las unidades físicas al sistema internacional SI.

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, 15 según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cualquier grapa para aferrar un mosaico de espejo, se puede apoyar sobre el extremo exterior de un travesero o cuaderna que sea la hipotenusa de un triángulo cuyo cateto horizontal vaya desde la mitad de la abscisa del punto medio de la grapa hasta la abscisa de dicho punto medio de la grapa, y su cateto 20 vertical sea precisamente el que suba desde el nivel 0 marcado por la ordenada del ápice de la parábola hasta la ordenada de dicho punto.

- Dispositivo rotatorio horizontal de concentración de la radiación solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en 25 vez de tener todas las parábolas el mismo foco, se eligen líneas focales paralelas pero no coincidentes.