Helióstato multirreflexivo.

Helióstato multirreflexivo.

La novedad fundamental de la invención es la configuración multi-reflexiva con niveles muy altos de concentración,

así como la precisión necesaria para mantener constante la energía reflejada de manera homogénea en el lugar de proyección, mediante el control en lazo cerrado y sin sufrir modificación en intensidad por el movimiento relativo del sol de forma independiente a la distancia del objetivo, todo ello a partir de helióstatos en el que participan al menos dos superficies reflectoras (1, 2, 3, 4..), dispuestas de forma que reflejen los rayos solares (13) sucesivamente hacia un objetivo (10), con una angulación que evite el efecto coseno.

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un heliostato que, aislado o perteneciente a un campo solar, refleja los haces de luz que llegan a él mediante múltiples superficies. Se trata de una invención que pertenece, dentro del área de la termotecnia, al campo de la producción de energía a partir de la radiación solar.

Esta invención no contempla la tipología o naturaleza de las superficies reflectantes que se emplean, ya que en función de la concentración deseada y del uso particular del sistema se preferirá la utilización de superficies planas, esféricas, parabólicas, cilíndricas, toroidales, teseladas o de cualquier otra configuración geométrica.

Esta invención no especifica la ejecución estructural definida del sistema, sino que engloba todas las ejecuciones estructurales que cumplan las condiciones de movimiento y operación.

A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe:

- Energía solar: energía radiante que proviene del Sol y que llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características.

- Helióstato: Sistema reflexivo de gran distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado foco a lo largo del día.

- Helióstato o sistema multi-reflexivo: Helióstato que realiza su misión mediante más de una reflexión, disponiendo para ello de tantas superficies reflectantes como reflexiones.

- Campo de helióstatos: También denominado concentrador primario o campo solar, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un objetivo o receptor.

- Receptor solar u objetivo: Dispositivo que intercepta y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferirla mediante un intercambiador de calor al bloque de potencia de la planta.

- Planta termosolar de receptor central: planta de producción de energía eléctrica que basa su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un único receptor.

- Sensor solar o apuntador solar: Dispositivo que mediante fenómenos ópticos, fotovoltaicos, térmicos o de cualquier otra índole es capaz de discriminar la posición del Sol.

- Seguidor solar: también llamado tracker o disco, dispositivo mecánico capaz de orientarse de forma que sigue al sol en su movimiento a lo largo del día.

- Superficie primaria: superficie reflectante dispuesta sobre el seguidor solar, orientada en sentido perpendicular a los rayos solares y que recibe la radiación directa del sol y que en un sistema multi-reflexivo la dirige hacia la superficie secundaria.

- Superficie secundaria: superficie reflectante que recibe la radiación de la superficie primaria y en el caso de sistema de tres reflexiones la refleja hacia la superficie terciaria, o hacia el objetivo en el caso de sistema de dos reflexiones.

- Superficie terciaria: superficie reflectante que recibe la radiación de la superficie secundaria, y en el caso de sistema de cuatro reflexiones la refleja hacia la superficie cuaternaria, o hacia el objetivo en el caso de sistema de tres reflexiones.

- Superficie cuaternaria: en el caso de sistema de cuatro reflexiones, superficie reflectante que recibe la radiación de la superficie terciaria y la refleja hacia el objetivo.

- Rayo principal incidente: el que proviene del centro del disco solar y corta en el punto central de la superficie primaria.

- Rayo principal reflejado: el que proviene del punto medio central de la superficie primaria y resulta de la reflexión del rayo principal incidente en esta superficie. En un sistema mono-reflexivo, este rayo ha de dirigirse hacia el objetivo, mientras que en un sistema multi-reflexivo incidirá en la superficie secundaria.

- Plano de reflexión: El que contiene al rayo principal incidente y al rayo principal reflejado.

- Eje primario: Eje de giro del helióstato que permanece fijo en el espacio durante su operación y respecto del que gira el conjunto de partes móviles del helióstato.

- Eje secundario: Eje de giro del helióstato que es ortogonal al eje primario en todo momento, y que posibilita el movimiento de giro necesario a la superficie o superficies reflectantes para que el helióstato cumpla con su misión.

- Montura horizontal: Dispositivo mecánico de orientación en dos ejes de un helióstato respecto a un sistema topocéntrico de coordenadas horizontales, denominadas acimut y altura.

- Estrategia de apunte: Procedimiento de operación de una planta termo-solar que consiste en definir un conjunto de coordenadas sobre el receptor a donde deben apuntar cada uno de los helióstatos del campo para conseguir la distribución de energía requerida sobre éste.

- Montura de pedestal.

- Montura de carril circular.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El aprovechamiento de la energía solar como fuente de energía es realizada por el hombre desde la antigüedad. El Sol emite una ingente cantidad de energía, una parte de la cual llega a la Tierra en forma de luz y calor. Desde mediados del siglo XX se vienen realizando investigaciones para intentar transformar esa energía en electricidad: así, se han desarrollado placas fotovoltaicas que producen directamente electricidad cuando su superficie es convenientemente activada por la luz, y distintos tipos de colectores de calor que concentrando haces de luz sobre una tubería o sobre un receptor central que contiene un fluido logran alcanzar temperaturas suficientes como para producir grandes cantidades de vapor de agua que genera electricidad a través de una turbina, normalmente en un ciclo de Rankine. Es sobre este último tipo de instalación sobre la que versa la presente invención.

Dada la baja potencia específica por unidad de superficie de la radiación solar, para aprovechar esta energía de manera adecuada es necesario concentrar un gran número de haces de luz sobre un mismo punto, lo que tradicionalmente se realiza por medio de espejos orientados sobre un depósito o sobre una tubería a modo de colector. En este caso la radiación es por concentración indirecta, ya que para alcanzar su objetivo los rayos han de sufrir una reflexión previamente en el espejo.

El estado de la técnica cuenta con distintos sistemas patentados internacionalmente encaminados a optimizar la concentración y aprovechamiento de energía solar reflejada por sistemas de helióstatos para la producción de energía eléctrica, así como accesorios y complementos que vienen reflejados en distintos epígrafes de la Clasificación Internacional de Patentes.

La solución adoptada por la patente con número de publicación ES 2155403, es una innovadora solución de doble reflexión frontal. Esta solución mecánica es posible de controlar mediante lazo cerrado, pero la capacidad de concentración es mucho menor que la proporcionada por el dispositivo presentado en esta patente. La reflexión mediante dos superficies cónicas limita el grado máximo de concentración al establecido por el límite físico de la reflexión bidimensional, con límites prácticos inferiores a 100 veces la intensidad normal del sol.

No se han encontrado más soluciones similares de reflexión para conseguir el objetivo perseguido, mientras que son soluciones por refracción las utilizadas habitualmente, y solamente en tamaños muy reducidos.

Por otra parte, los sistemas de helióstatos existentes actualmente padecen un serio problema derivado del hecho de que la normal a la superficie reflectante del heliostato no apunta directamente al sol, sino que sigue la bisectriz entre el sol y el blanco.

Debido a este posicionamiento, el área de la superficie reflectante que el heliostato ofrece al sol es menor que la que existiría en caso de apunte directo al sol. Y por ello, la capacidad de captación de la radiación solar se ve limitada de manera proporcional a esta reducción en la superficie ofrecida al sol.

Esta pérdida, denominada efecto coseno, es tanto más nociva conforme aumenta el ángulo sol-helióstato-blanco.

Por tanto, estas pérdidas por efecto coseno son, en general, especialmente severas en los momentos de la salida y puesta del sol.

Además, las diferentes zonas del campo de helióstatos ven como, a lo largo del día, el ángulo sol-helióstato-blanco varía, llegando en determinados momentos a producirse fuertes pérdidas por efecto coseno.

Es por esto que el ámbito...

1a.-Heliostato multireflexivo, caracterizado porque en el mismo participan al menos dos superficies reflectoras (1,2,3,4..), dispuestas de forma que reflejen los rayos solares (13) sucesivamente hacia un objetivo (10), con una angulación que evite el efecto coseno.

2a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 1a, caracterizado porque en el mismo participan tres superficies reflectoras (1,2,3).

3a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 1a, caracterizado porque en el mismo participan cuatro superficies reflectoras (1,2,3,4).

4a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 1a, caracterizado porque las superficies reflectoras (1,2,3,4...) pueden ser fijas o bien incluir medios para su desplazamiento angular.

5a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incorpora un sensor solar (14) de detección de la posición del sol, asociado a un circuito de control en lazo cerrado alimentado retroactivamente por la señal del sensor, circuito que gobierna los medios de posición angular de las superficies reflectoras (1,2,3,4...) en función de la posición del sol detectada, de manera que la superficie reflectora (1) primaria apunte en todo momento hacia el sol, quedando dispuesta perpendicularmente al mismo.

6a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las superficies reflectoras son susceptibles de incluir orificios.

7a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque algunas de las superficies reflectoras giran solidariamente-,

8a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque algunas de las superficies reflectoras oscilan libremente manteniendo siempre la misma orientación.

9a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 1a, caracterizado porque algunas de las superficies reflectoras son planas.

10a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 1a, caracterizado porque algunas de las superficies reflectoras son cóncavas.

11 a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 4a, caracterizado porque en los

medios de desplazamiento angular de las superficies reflectantes se definen dos ejes de giro ortogonales.

12a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicación 4a, caracterizado porque en los 10 medios de desplazamiento angular de las superficies reflectantes se define un eje de giro virtual, materializado mediante un carril y/o una viga circular.

13a.- Helióstato multireflexivo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cuando el mismo se dispone junto con otros helióstatos de idéntica configuración, 15 formando una agrupación o planta, para todos ellos se define un eje vertical de giro común con el centro de una torre (12), en la que se establece un receptor solar principal, giro controlado por el sistema en lazo cerrado, definiéndose varios ejes horizontales de giro a cada uno de los cuales pueden ser comunes varios helióstatos.