ES2262379B1 - Dispositivo de concentracion optica. - Google Patents

Abstract

Comprende una superficie reflectante esférica (8) en la que, mediante una pintura antireflectante, se cubre un anillo de reflexión bloqueada (9), cuya circunferencia media (14) coincide con aquélla que focaliza en un punto sobre el plano receptor (13) de absorción de la energía. El dispositivo produce una distribución de flujo sobre el plano receptor (13) sensiblemente uniforme, reduciendo el gradiente térmico sobre el mismo. De especial aplicación en la captación de energía solar.

Description

Dispositivo de concentración óptica.

Objeto y campo de aplicación

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico que permite, mediante una única reflexión, obtener simultáneamente altas concentraciones (500-1000x) y distribuciones de flujo uniformes, aumentando de esta forma la eficacia y simplicidad de los sistemas de concentración óptica. Su utilización es en el campo de la energía solar, en aplicaciones de producción de energía eléctrica (fotovoltaicas o termodinámicas), generación de calor en procesos industriales, y procesos termoquímicos y fotoquí-
micos.

Antecedentes de la invención

La búsqueda de un concentrador solar que presente una distribución de flujo uniforme, de perfil plano, sin por ello necesitar de muchas reflexiones (lo que supone una pérdida de eficiencia) representa para la mayoría de las aplicaciones prácticas un reto importante. En aplicaciones fotovoltaicas este es un tema crítico ya que cuando las diferentes células son conectadas en serie la eficacia máxima del sistema está limitada por la célula de menor rendimiento. En aplicaciones térmicas los flujos no uniformes provocan gradientes de temperatura importantes, lo que repercute seriamente en la durabilidad de las calderas solares, su controlabilidad y la fiabilidad de las
mismas.

En ciertos dispositivos, como el descrito en US 2003075212 se utiliza un concentrador secundario, que comprende un cilindro parabólico compuesto, lo que permite obtener flujos mas suaves, pero ello implica múltiples reflexiones y por tanto unas pérdidas de eficacia importantes, además de una fuerte restricción en el factor de visión.

En otros casos, como en US 4,395,581 y US 4,999,059 se recurre al uso de múltiples facetas, planas y de pequeño tamaño, para conseguir una distribución de flujo uniforme sobre el receptor; y si bien los costes de estas facetas son bajos, la necesidad de su alineación óptica precisa requiere de equipos y mano de obra especializada durante el montaje "in situ" de las mismas.

Finalmente, algunos dispositivos como el descrito en US 5,153,780 utilizan sistemas de concentración tipo Fresnel, cuya complejidad de fabricación es notoria.

Por otra parte, es conocido que los concentradores solares de mayor rendimiento óptico-geométrico con formación de imagen son los llamados discos parabólicos. Se trata de unos discos con curvatura parabólica que concentran la energía solar en un foco puntual. Con ellos se pueden conseguir altas concentraciones (Valores medios de 2000x con picos más altos). El disco parabólico reúne todos los rayos incidentes paralelos al eje óptico en un punto, el foco, lo que conduce a una distribución de flujo bastante picuda, produciendo gradientes térmicos importantes. Este efecto puede ser suavizado disponiendo el plano receptor fuera de foco, pero aún así las variaciones de flujo son considerables.

En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el conseguir un concentrador óptico que utilizando una única reflexión produzca una distribución de flujo lo más uniforme posible.

Es otro objetivo de la presente invención el conseguir un concentrador óptico que, cumpliendo los requisitos técnicos expuestos, pueda ser fabricado y ajustado de forma sencilla y económica.

Descripción de la invención

La solución propuesta se basa en utilizar una superficie esférica como elemento reflectante del concentrador óptico. El comportamiento de la esfera solo es similar al del disco parabólico en su zona paraxial, es decir, allí donde su identificación matemática con el paraboloide es, a efectos prácticos completa. Fuera de la zona paraxial, cualquier rayo incidente paralelo al eje óptico no pasará por el foco. Sin embargo, el camino de los rayos que inciden simétricamente respecto al eje óptico será simétrico, es decir, cortarán al eje óptico en un mismo punto. El eje óptico de una superficie reflectante esférica representa el lugar geométrico de convergencia de familias de rayos que inciden en ella de forma simétrica respecto al eje óptico. Este efecto es conocido como aberración esférica.

Es obvio que la concentración alcanzable con un concentrador esférico es siempre menor que la alcanzable con un concentrador parabólico, ya que los concentradores esféricos no presentan un foco único; sin embargo, en muchas aplicaciones, y en especial en las de energía solar, no es necesario formar una imagen de nuestro objeto a concentrar, en este caso el sol, sino que se trata de captar la energía del mismo de la forma más efectiva y económica posible. En esta línea de trabajo se mueven los concentradores solares no formadores de imágenes. En nuestro caso y puesto que perseguimos una distribución de flujo uniforme, potenciaremos la aberración esférica y el trabajar fuera de foco. Se ha comprobado que en concentradores esféricos esto puede conseguirse bloqueando la reflexión solar en el lugar geométrico de la superficie de la esfera que focaliza en el plano receptor. En la esfera, para cada distancia focal hay una circunferencia cuyos rayos reflejados se focalizan en un único punto. En consecuencia si bloqueamos la reflexión de la circunferencia que focaliza en el plano receptor habremos suprimido los picos de flujo que dan lugar a un excesivo gradiente térmico. Por razones prácticas no bloquearemos únicamente la circunferencia en cuestión, sino que extenderemos el bloqueo a una banda a cada lado de la misma, para formar lo que podríamos denominar un anillo de reflexión
bloqueada.

El bloqueo de la reflexión puede conseguirse fácilmente sin más que cubrir la superficie del concentrador con una pintura escasamente reflectante; negra, por ejemplo.

Las ventajas que presenta el concentrador óptico con distribución de flujo uniforme objeto de la invención son las siguientes:

-

superficie reflectante esférica en lugar de parabólica, con la consiguiente reducción del coste.

-

gradiente térmico inapreciable sobre el plano receptor, con eliminación de problemas de dilatación diferencial y puntos calientes, lo que conlleva una reducción de costes adicional y una mejora de la fiabilidad.

Breve descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida, en base a un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra un dispositivo disco parabólico - motor Stirling para la producción de energía eléctrica, según la técnica anterior.

La figura 2 muestra la distribución de flujo sobre el plano receptor del motor Stirling del dispositivo de la figura 1, según que el plano receptor coincida o no con el plano focal.

La figura 3 es una representación esquemática de la denominada aberración esférica.

La figura 4 muestra el concentrador óptico objeto de la invención.

La figura 5 muestra la distribución de flujo producida sobre el plano receptor por un concentrador esférico convencional y por un concentrador esférico con anillo de reflexión bloqueada según la inven-
ción.

En las anteriores figuras, las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos.

1.

Dispositivo disco parabólico - motor Stirling.

2.

Estructura soporte.

3.

Concentrador parabólico.

4.

Receptor.

5.

Sol.

6.

Distribución de flujo con concentrador parabólico.

7.

Distribución de flujo con concentrador parabólico desenfocado.

8.

Superficie reflectante esférica.

9.

Anillo de reflexión bloqueada.

10.

Distribución de flujo con concentrador esférico.

11.

Distribución de flujo con concentrador esférico y anillo de reflexión bloqueada.

12.

Zona de reducción de flujo.

13.

Plano receptor.

14.

Circunferencia media del anillo de reflexión bloqueada (9).

Descripción detallada de una realización preferida

La figura 1 representa una instalación de producción de electricidad a partir de energía solar del tipo disco parabólico - motor Stirling (1). En ella, una estructura soporte (2) orienta adecuadamente un concentrador parabólico (3) que dirige la radiación incidente proveniente del sol (5) hacia un receptor (4), en este caso un motor Stirling. Estos dispositivos son conocidos desde hace años, aunque su utilización comercial se ve frenada por diversos problemas entre los que el más importante es el elevado coste. Además, una tal solución, aún consiguiendo elevadas concentraciones y en consecuencia altas eficiencias, presenta una distribución de flujo con concentrador parabólico (6) sobre el receptor (4) muy picuda, tal como puede verse en la figura 2. El sacar fuera de foco el receptor (4) conduce a una distribución de flujo con concentrador parabólico desenfocado (7) más aplanada. Aún así, aparece un gradiente térmico no despreciable que introduce solicitaciones especificas en el receptor (4).

Por su parte, una superficie reflectante esférica (8) tal como la utilizada en el concentrador óptico de la invención no produce una única imagen sino que, como puede apreciarse en la figura 3, cada circunferencia inscrita sobre la superficie reflectante focaliza en un punto distinto a lo largo del eje óptico. Para cada punto de distancia focal "d" sólo hay una circunferencia de radio "r" cuyos rayos reflejados focalicen en ese punto. Esta circunferencia, constituye la circunferencia media (14) que define el anillo de reflexión bloqueada (9). Ver figura 4.

La posición del plano receptor (13) puede determinarse de acuerdo con la expresión:

d = R \left(1 - \frac{R}{2\sqrt{R^{2} - r^{2}}} \right)

en la que "R" es el radio de la superficie esférica.

El concentrador óptico, objeto de la invención, produce una distribución de flujo con concentrador esférico y anillo de reflexión bloqueada (11) considerablemente más uniforme que la distribución de flujo con concentrador esférico (10) pero sin anillo de reflexión bloqueada (9). Como puede verse en la figura 5, el efecto del anillo de reflexión bloqueada (9) es reducir fuertemente el pico de flujo que se produce en la intersección del eje óptico con el plano receptor (13), suprimiéndose la potencia representada por la zona de flujo reducido (12) y mejorando considerablemente la uniformidad de la distribución de flujo.

Claims (2)

1. Dispositivo de concentración óptica sobre un plano receptor (13), que utiliza una única reflexión de la radiación incidente, caracterizado por comprender una superficie reflectante esférica (8) que presenta un anillo de reflexión bloqueada (9), cuya circunferencia media (14) focalizaría sobre el plano receptor (13); de tal manera que la distribución del flujo sobre el plano receptor (13) sea sensiblemente uniforme.

2. Dispositivo de concentración óptica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la radiación incidente es la proveniente del sol.