ES2552645T3

ES2552645T3 - Configuración de concentrador solar con fabricabilidad y eficiencia mejoradas

Info

Publication number: ES2552645T3
Application number: ES10802930.7T
Authority: ES
Inventors: John Stewart Fangman; Michael E. Fangman; John Mathew Fangman; Sudhakar Neti; Arati Shah-Yukich
Original assignee: CEWA TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: CEWA TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2015-12-01
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: EP2457031A4; US9467089B2; CN102575877B; US20110017269A1; WO2011011650A3; US20130247899A1; US9312804B2; MX2012001032A; CN104913521A; EP3001120A1; HK1170797A1; MX349570B; US8937270B2; MX2012001033A; US8680391B2; US20140174504A1; EP2457032B1; BR112012001621A2; HK1221280A1; US8466400B2

Abstract

Concentrador solar (10), que comprende: uno o varios reflectores solares concéntricos (12, 14), que comprenden: - por lo menos un reflector solar externo (12) con una zona central (13); y - por lo menos un reflector solar interno (14), caracterizado por que: dicho por lo menos un reflector solar interno (14) se superpone a la zona central (13) de dicho por lo menos un reflector solar externo (12), estando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar externo (12) y estando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar interno (14) configurados para crear en la misma área focal (F) un área focal en forma de anillo (R-12, R-14); presentando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar externo (12) una primera geometría de toroide autointersecante para dirigir la primera radiación solar reflejada hacia dicha área focal en forma de anillo (R-12); y presentando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar interno (14) una segunda geometría de toroide autointersecante para dirigir la segunda radiación solar reflejada hacia dichas áreas focales en forma de anillo (R- 14).

Description

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DESCRIPCION

Configuracion de concentrador solar con fabricabilidad y eficiencia mejoradas.

Referencia cruzada con la solicitud relacionada

La presente solicitud reivindica los derechos de la solicitud provisional US n° 61/228.440, presentada el 24 de julio de 2009, que se incorpora a la presente memoria como referencia.

Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un concentrador solar, particularmente muy adecuado para aplicaciones de bajo coste, con un montaje y una reparacion sencillos y, mas particularmente, a un concentrador solar que comprende un par de reflectores concentricos provistos de una geometrfa de toroide autointersecante (en ingles, “spindle toroid geometry”) para el enfoque de la radiacion solar recogida en un area focal en forma de anillo, en oposicion al foco de “punto” o “linea” segun las configuraciones de la tecnica anterior.

Antecedentes de la invencion

La radiacion solar incidente en la superficie terrestre presenta una intensidad bastante baja, de algun modo variable dependiendo de la hora del dfa, la estacion y la situacion de la tierra; aproximadamente entre 800 y 1000 vatios de energfa termica por metro cuadrado de area. Para que la industria solar resulte competitiva comercialmente en diversos mercados globales en comparacion con los costes de produccion de energfa de la industria fosil (como la energfa generada por carbon), los retos clave para la industria solar son aprovechar la radiacion solar a una eficiencia elevada y unos costes significativamente bajos, asf como mejorar tanto la facilidad de fabricabilidad global de las tecnologfas solares y la facilidad de montaje y de puesta en practica por parte del sector comercial convencional para diversas aplicaciones.

Principalmente, existen cuatro categorfas de tecnologfas de aprovechamiento de la energfa solar. La primera de ellas, indicada como dispositivos solares pasivos, adopta la forma de calentadores solares y paneles solares para tejados con conducciones que discurren por debajo que se calientan de forma sencilla mediante la radiacion solar incidente; transfiriendose el calor al fluido o aire que pasa por los dispositivos solares pasivos. Sin embargo, la intensidad de la radiacion solar pasiva generalmente es demasiado baja para resultar directamente util para la mayorfa de las aplicaciones que requieren calor a temperaturas y presiones elevadas (como sistemas HVAC, calor para procesos industriales, turbinas, etc. en funcionamiento). Otra categorfa de tecnologfa solar adopta la forma de paneles planos de celdas fotovoltaicas solares que contienen dispositivos semiconductores. Dichos dispositivos convierten la radiacion solar incidente directamente en electricidad; la produccion de energfa solar es una funcion directa del area de la matriz de celdas solares fotovoltaicas. Los “concentradores” solares se consideran como otra categorfa y estan concebidos para reflejar la radiacion solar incidente de un area grande a un area focal de menor tamano, con el fin de concentrar (recoger) la radiacion solar para generar grandes cantidades de calor que se puedan transferir a un fluido que circula en el area focal (consiguiendo asf una temperatura y una presion mas elevadas), adecuado para varias aplicaciones en las que se precisa el calor de una calidad deseada, como calor para procesos industriales, calor y frfo para sistemas de climatizacion, desalinizacion, deshidratacion, etc., o para la produccion de vapor para el accionamiento de turbinas con el fin de generar electricidad. Recientemente, se ha explorado una tecnologfa hfbrida, en la que se utilizan captadores solares en conjuncion con un tipo de celda fotovoltaica especial; la tecnologfa de concentracion solar dirige un haz de radiacion solar de alta intensidad sobre una cantidad pequena especializada de celdas fotovoltaicas (denominadas celdas fotovoltaicas concentradoras) en el area focal de los captadores. De este modo, los captadores solares de concentracion en conjuncion con las celdas fotovoltaicas presentan una ventaja sobre los captadores de panel plano, ya que utilizan sustancialmente cantidades menores de material semiconductor, al mismo tiempo que resultan mas eficientes en la generacion de energfa electrica.

En cualquier caso, las tecnologfas de concentrador solar en general resultan mas utiles tanto si la aplicacion necesita calor como si necesita electricidad o ambas. En comparacion con las tecnologfas solares pasivas o tecnologfas de celda fotovoltaica, los concentradores solares proporcionan calor con costes bajos y eficiencia elevada.

Un tipo particular de captador de concentracion se conoce en la tecnica como un captador de cubeta parabolico. Este tipo de captador utiliza una cubeta reflectante alargada que preve una seccion transversal parabolica para concentrar la radiacion solar a lo largo de la linea focal que se extiende por los puntos focales de los elementos parabolicos que forman la cubeta. Tfpicamente, se dispone un conducto a lo largo de dicha linea focal, con un lfquido de transferencia de calor circulando por dicho conducto. El lfquido se calentara mediante la energfa solar a medida que se desplace por el conducto.

De forma alternativa, un concentrador solar puede adoptar la forma de un concentrador parabolico en un punto, utilizando una pluralidad de espejos curvados dispuestos para formar un plato parabolico que enfoque la radiacion

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solar entrante en un unico punto. Tfpicamente, se dispone un motor Stirling o receptor hueco en el punto focal del concentrador de plato, para capturar la energfa solar y convertirla en energfa calorffica (o mecanica).

Todavfa otra variacion de tecnologfa de concentrador solar se refiere a una “torre de energfa” o “heliostato”; en la que se disponen cientos de reflectores individuales parabolicos en un punto en un campo solar y cada reflector enfoca su haz a la parte superior de una torre central de gran tamano en la que esta alojado el receptor. La ventaja de esta configuracion es que se centraliza la recogida de calor de un area de recogida grande del campo para minimizar la perdida de calor y el coste de las conducciones. Sin embargo, los efectos de sombra, los requisitos de parcela de gran tamano, asf como otras consideraciones representan algunas de las desventajas de las tecnologfas de concentrador de los tipos de central de torre.

Recientemente, se ha desarrollado una tecnologfa de concentrador hfbrido denominada Reflector Fresnel de compactacion lineal (CLFR), en la que se preve un hfbrido de reflectores con forma de cubeta dispuestos en un campo con un receptor lineal central. Es decir, en lugar de un area de recepcion pequena en la torre, el CLL utiliza una conduccion de recepcion larga que capta los haces focales de una matriz de reflectores parabolicos.

Un problema con estos y otros tipos de captadores solares de concentracion convencionales es que resultan caros de fabricar y de instalar. Adicionalmente, las configuraciones normalmente son de “aplicacion especffica” en terminos de estar concebidas para condiciones geograficas especfficas de un lugar determinado (es decir, una funcion de los movimientos locales del sol), o de requerir un campo muy plano para la alineacion precisa de los espejos, o de requerir un espacio grande en un desierto, etc.). Cada aplicacion tambien presenta requisitos para dimensiones especfficas (en terminos de su area de superficie, longitudes, etc.), y ofrece poca flexibilidad para la adaptacion de la aplicacion y la situacion especffica. Ademas, la optica de recogida solar generalmente comprende reflectores de vidrio que se deben pulir y construir meticulosamente, requieren estructuras de soporte caras y, ademas, precisan una instalacion extensiva y tediosa.

Asf, existe una necesidad en la tecnica de un concentrador solar mejorado con un funcionamiento eficiente, al mismo tiempo que resulte relativamente sencillo de instalar y de mantener y que se pueda utilizar independientemente del lugar (para producir calor, electricidad o ambas) y tan pocos o tantos como resulte necesario.

El documento US 4 919 527 A divulga un concentrador de radiacion solar provisto de una superficie reflectante realizada en caras esfericas o de toroide dispuestas en una pluralidad de zonas anulares.

Sumario de la invencion

Las necesidades existentes en la tecnica se abordan mediante la presente invencion, que se refiere a un concentrador solar, particularmente muy adecuado para aplicaciones de coste bajo, con un montaje y una reparacion sencillos y, mas particularmente, a un concentrador solar que comprende una pluralidad de reflectores concentricos que presentan una geometrfa de toroide autointersecante para enfocar la radiacion solar captada en areas focales con forma de anillo, al contrario que el foco de “punto” o “lfnea” segun la tecnica anterior.

Este objetivo se alcanza mediante el concentrador solar de la presente invencion definido en la reivindicacion 1. En una forma de realizacion mencionada mas adelante, se muestra un par de reflectores. Sin embargo, se entendera que el concentrador solar de la presente invencion puede utilizar cualquier cantidad de reflectores que presenten la geometrfa de toroide autointersecante preferida.

Por lo tanto, de acuerdo con la presente invencion, cada reflector esta formado para mostrar una geometrfa de toroide autointersecante y, por ello, enfoca la radiacion solar en un area focal en forma de anillo. Al contrario que las propiedades de la lfnea focal o el enfoque en punto asociadas con los reflectores de cubeta y de plato de la tecnica anterior, el reflector de toroide autointersecante crea un area focal en forma de anillo, concentrando una cantidad mayor de la energfa entrante en una zona pequena, al mismo tiempo que no requiere la alineacion precisa entre el receptor y el concentrador asociados con el concentrador de tipo de disco (“punto”) de la tecnica anterior.

En una forma de realizacion preferida de la presente invencion, cada reflector esta formado a partir de una pluralidad de petalos curvados que se disponen en una disposicion en clave de boveda contigua que requiere una instalacion minima (por ejemplo, epoxy) para sostener los petalos en su lugar. Dicha disposicion reduce el peso, la complejidad y el coste de la estructura de concentrador solar final.

En una disposicion preferida de la forma de realizacion descrita anteriormente, cada petalo presenta una construccion monocasco, en la que la “capa” externa del petalo tambien funciona para proporcionarle la rigidez necesaria y soporta la totalidad de la carga aplicada. Cada petalo puede presentar una superficie externa reflectora o puede estar formado en un material reflector dispuesto por su superficie externa. Materiales como el aluminio o el vidrio fino formado elasticamente resultan adecuados para dicha superficie reflectora.

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El concentrador solar segun la presente invencion se puede configurar en conjuncion con un sistema Cassegrain, en el que un reflector secundario dispuesto por el eje optico redirecciona la radiacion solar concentrada en un receptor situado en otra localizacion. De forma alternativa, se puede disponer un receptor en la forma de un sistema termico solar concentrado (CST) o celda fotovoltaica concentrada (CPV) en el area focal en forma de anillo.

Todavfa en otra forma de realizacion de la presente invencion, se puede disponer un filtro dielectrico en el area focal en forma de anillo y se puede utilizar para dirigir las longitudes de onda asociadas con la produccion de energfa termica en un receptor de base termica, al mismo tiempo que se dirigen las longitudes de onda asociadas con la produccion de energfa electrica en, por ejemplo, una estructura fotovoltaica.

Otras formas de realizacion y aspectos adicionales de la presente invencion se pondran de manifiesto durante el transcurso de la explicacion siguiente y haciendo referencia a los dibujos adjuntos.

Breve descripcion de los dibujos

Haciendo referencia ahora a los dibujos, en los que los numeros iguales representan partes iguales en varias vistas:

la Figura 1 es una vista isometrica de un concentrador solar 10 a tftulo de ejemplo formado de acuerdo con la presente invencion;

la Figura 2 es un diagrama de trazado de rayos que ilustra la concentracion de la radiacion solar reflejada del concentrador solar de la Figura 1;

la Figura 3 ilustra una configuracion de toroide estandar, util para comprender la geometrfa de toroide autointersecante de los reflectores solares segun la invencion;

la Figura 4 es una vista frontal de un reflector externo a tftulo de ejemplo del concentrador solar de la invencion, que ilustra su configuracion en clave de boveda;

la Figura 5 es una vista frontal de un reflector interno a tftulo de ejemplo del concentrador solar de la invencion, que ilustra su configuracion en clave de boveda;

la Figura 6 es una vista frontal de la disposicion concentrica de los reflectores externos e internos, con el reflector interno dispuesto para superponerse a la zona central del reflector externo;

la Figura 7 ilustra la disposicion de un conjunto de tres petalos separados del reflector externo y su emplazamiento para crear la configuracion en clave de boveda;

la Figura 8 es una vista isometrica de un unico petalo de un reflector, que muestra su construccion monocasco preferida;

la Figura 9 es una vista posterior de la estructura de soporte para el concentrador solar segun la presente invencion;

la Figura 10 es una vista lateral de un sistema de recogida solar Cassegrain, que utiliza el concentrador solar de la presente invencion; y

la Figura 11 es una vista desde arriba del sistema de la Figura 10.

Descripcion detallada

La Figura 1 es una vista isometrica de un concentrador solar 10 a tftulo de ejemplo, formado de acuerdo con la presente invencion. A diferencia de las distribuciones de concentrador solar de la tecnica anterior basadas en crear concentracion de ”punto” o “lfnea” de la radiacion solar, la geometrfa de toroide autointersecante del concentrador de la invencion funciona para dirigir la radiacion solar reflejada en zonas en forma de anillo en el area foca F del concentrador 10. Tal como se ha mencionado anteriormente, el area focal en forma de anillo proporciona una mayor concentracion de energfa que el foco de “lfnea” asociado con los captadores de cubeta de la tecnica anterior, sin precisar las alineaciones de coste elevado asociadas con el foco de “punto” de la tecnica anterior asociado con los captadores de plato de la tecnica anterior.

En particular, se muestra el concentrador solar 10 que comprende un par de reflectores concentricos que incluyen un reflector externo 12 y un reflector interno 14, estando cada uno de los reflectores formado mediante la geometrfa de toroide autointersecante. Tal como se ha mencionado anteriormente, el uso de un par de reflectores se considera solo a tftulo de ejemplo, y se podrfa utilizar cualquier cantidad de reflectores adecuada para formar un conjunto de concentrador solar particular.

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De nuevo haciendo referencia a la Figura 1, la energfa solar entrante reflejada por el reflector externo 12 se concentrara en un anillo R-12 en el area focal F, tal como se muestra, con la energfa solar reflejada por el reflector interno 14 concentrada en un anillo algo menor R-14 en la misma area focal F. La Figura 2 es un diagrama de trazado de rayos que ilustra la concentracion de la radiacion solar reflejada en los anillos R-12 y R-14, que tambien muestra una ampliacion de los anillos R-12 y R-14 en aras de a claridad. Con la formacion del reflector externo 12 y el reflector interno 14 de la curvatura de toroide autointersecante preferida, cada uno reflejara de forma independiente y enfocara los rayos de luz entrante en una configuracion de anillo concentrico suministrando de forma separada los haces reflejados en diferentes localizaciones, segun se desee.

En la Figura 3, se muestra un toro estandar como un “tubo” y se define mediante el conjunto de ecuaciones siguientes:

x(u, v) = (R + r cos v)cos v x(u, v) = (R + r cos v) sin v z (u, v) = r sin v,

en las que u y v y en el intervalo (0,2n), R es la distancia desde el centro del tubo hasta el centro del toro y r es el radio el tubo. Un toroide autointersecante, tal como se utiliza aquf en la formacion de los reflectores 12 y 14, se crea cuando R<r, formando una superficie de “autointerseccion”. Como resultado, la seccion transversal de cada reflector 12, 14 en el plano x-z se define del siguiente modo:

z = ±[r2 -(x-R)2]/2

Con esta definicion de la estructura de cada reflector 12 y 14, se puede mostrar que el area focal de cada uno de ellos adopta la forma de un anillo, que permite una concentracion significativa de, en este caso, radiacion solar, en un area relativamente pequena bien definida para una mejor distribucion del calor en comparacion con los captadores de la tecnica anterior con foco de punto. Los anillos R-12 y R-14 de las Figuras 1 y 2 ilustran esta mejora en la concentracion de radiacion solar de acuerdo con la configuracion de toroide autointersecante de los reflectores

12 y 14. Una vez mas, se debera entender que la geometrfa especffica del area focal se puede modificar para adecuarse a las distintas necesidades, tanto si el concentrador solar 10 forma parte de un sistema de CPV, un sistema HVAC, generacion de calor industrial, electricidad, o similar. La capacidad de concentrar la radiacion solar en dicha area relativamente pequena con una distribucion de calor mejorada mediante foco de anillo, y sin la necesidad de las opticas de “tolerancia reducida” y caras de los captadores de la tecnica anterior se considera una ventaja significativa de la disposicion de la presente invencion.

Otro aspecto significativo de la presente invencion es que cada reflector 12, 14 en el concentrador solar 10 comprende una pluralidad de “petalos” reflectantes separados, sujetos en su lugar en una disposicion en clave de boveda, de manera que la estructura del reflector final sea autoportante. No se requiere ninguna estructura de refuerzo o de soporte adicional; este aspecto se considera un avance significativo sobre los disenos de concentradores de la tecnica anterior que requieren un mecanismo de soporte extensivo que se anade al peso y al coste (asf como a las complejidades de construccion) del concentrador en general. Ademas, al eliminar la necesidad de una estructura de soporte, la estructura de concentrador solar final resulta considerablemente mas ligera, mas facil de ensamblar in situ y mas sencilla de manipular que los captadores solares convencionales.

Las Figuras 4 a 6 ilustran particularmente la construccion en clave de boveda del concentrador solar 10, en las que la Figura 4 es una vista isometrica del reflector externo 12, la Figura 5 es una vista isometrica del reflector interno 14 y la Figura 6 muestra la disposicion concentrica del reflector interno 14 dispuesto para superponerse al reflector externo 12. Tal como se ha indicado anteriormente, cada uno de los reflectores concentrara de forma separada la radiacion incidente en un area focal en forma de anillo (veanse las Figuras 1 y 6). La Figura 6 en particular ilustra la disposicion concentrica del concentrador solar 10, con el reflector interno 14 fijado para superponerse al area central

13 del reflector 12 externo (el area central 13 se indica mediante la lfnea de puntos en la Figura 4).

La Figura 4 ilustra con claridad la configuracion en clave de boveda del reflector externo 12, en la que dicho reflector externo 12 se muestra comprendiendo una pluralidad de petalos reflectantes separados 16. Un conjunto de petalos reflectantes 16-1, 16-2 y 16-3 del reflector 12 se indica y se muestra especfficamente, dispuesto en una relacion contigua, estando la pluralidad de petalos 16 en su totalidad dispuesta en una disposicion circular en la configuracion en clave de boveda autoportante. La forma de realizacion a tftulo de ejemplo del reflector externo 12 que se muestra en la Figura 4 se forma con dieciseis petalos 16 separados y se pueden adherir con epoxy conjuntamente, tal como se indica mas adelante, para formar el reflector externo 12. En un diseno de ensayo, se mostro un reflector con esta geometrfa para exponer una abertura libre de 28,26 m2.

Una configuracion en clave de boveda similar del reflector interno 14 se muestra en la Figura 5, en la que dicho reflector 14 se muestra comprendiendo una pluralidad de petalos reflectantes 18. En la Figura 5 se ilustra

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especfficamente un conjunto de petalos reflectantes 18-1, 18-2 y 18-3 del reflector interno 14. Igual que con el reflector externo 12, se utiliza un conjunto de dieciseis petalos individuales 18 para formar esta forma de realizacion en particular, adheridos con epoxy conjuntamente a lo largo de sus lados, para formar la disposicion final tal como se muestra. Se observo que un reflector de esta geometrfa mostraba una abertura libre de 14, 13 m2.

Tal como se ha indicado anteriormente, la configuracion en clave de boveda de cada reflector en el concentrador solar de la presente invencion permite que petalos adyacentes se mantengan entre si en su lugar sin fijaciones adicionales. La Figura 7 muestra el conjunto de tres petalos 16-1, 16-2 y 16-3 cuando empiezan a colocarse el uno al lado del otro en un radio de curvatura RC para el reflector externo 12, estando el radio RC dictado por la curvatura de los petalos individuales 16. Una forma de realizacion a tftulo de ejemplo del reflector externo 12 puede mostrar una curvatura del orden de 10,725, mientras que el reflector interno 14 puede presentar una curvatura ligeramente reducida, del orden de 10,0. Tambien se supone que existe una relacion unica entre las curvaturas de los reflectores externo e interno 12, 14 que permite cambios en el tamano y la forma del concentrador solar 10, segun se desee para las distintas aplicaciones, al mismo tiempo que se mantiene la eficiencia optima de la concentracion de luz (y se dirigen las longitudes de onda deseadas en un receptor, que puede comprender una pluralidad de celdas fotovoltaicas). Tal como se ha mencionado anteriormente, la capacidad para formar el concentrador solar 10 sin otra estructura de soporte reduce significativamente el coste, el peso y la complejidad del sistema de concentrador solar final.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, cada petalo reflectante 16 y 18 comprende una construccion monocasco, en la que una superficie reflectante 20 (es decir, la “piel” del petalo) soporta la mayor parte de las tensiones de torsion y flexion. La construccion monocasco, que se ha utilizado con anterioridad en la fabricacion de automoviles y aeroplanos, reduce el peso y el coste, al mismo tiempo que mejora la resistencia incluyendo la capa como un componente estructural. De acuerdo con la presente invencion, la construccion monocasco mejora la capacidad del concentrador para soportar tensiones inducidas por el entorno (carga de viento).

La Figura 8 es una vista isometrica de un petalo 16 construido en monocasco a tftulo de ejemplo de un reflector externo 12, en el que los elementos 22 indican localizaciones a tftulo de ejemplo en las que se puede disponer el epoxy (u otro material de fijacion adecuado, incluyendo tuercas o fijaciones mecanicas) para permitir que la pluralidad de petalos 16 se una entre sf para formar el reflector externo 12 sin el uso de ningun otro soporte mecanico (es decir, la configuracion “en clave de boveda” mencionada anteriormente con referencia a las Figuras 4 a 7). Mediante la fijacion de la superficie de capa reflectante 20 a una estructura de soporte 25 subyacente, las tensiones que sufre un petalo 16 individual se disponen de manera uniforme por la totalidad de la superficie de la capa 20, permitiendo que la propia capa sea la parte de carga y soporte del petalo, del tipo de construccion monocasco.

La estructura de soporte 25 de cada petalo 16 o 18 preferentemente se forma en aluminio (u otro material de peso ligero adecuado) y, tal como se muestra en la Figura 8, comprende un refuerzo superior 24, un par de paredes laterales opuestas 26, 28 y un refuerzo inferior 30. La Figura 9, una vista posterior del concentrador solar 10, ilustra con claridad cada estructura de soporte de petalo 25 con la gran cantidad de petalos 16 y 18 individuales.

De acuerdo con la presente invencion, se forma una capa 20 de superficie en espejo de un material reflectante, preferentemente un material que presente un peso ligero y que resulte relativamente facil de sustituir cuando resulte danado o envejezca. Las posibilidades de materiales para la capa 20 incluyen, pero no estan limitadas a un aluminio pasivado (o una capa de aluminio pasivado dispuesta en la superficie de otro material), un material dielectrico altamente reflectante, un polfmero, un vidrio ultra fino (por ejemplo de 50 micras o menos), o similar. Se pueden utilizar varias aleaciones y/o acabados superficiales para proporcionar el grado deseado de reflectividad en la capa del concentrador solar de la presente invencion.

Una ventaja de la estructura seccionalizada de cada reflector que forma el concentrador solar de la invencion es que, si la superficie de la capa 20 de un petalo individual se dana de alguna manera, sencillamente se puede fijar una nueva lamina de material reflectante formado de manera adecuada a la superficie de dicho petalo. No se precisa el desmantelamiento de la totalidad del concentrador ni la retirada de la totalidad del petalo para solucionar el problema, tal como se requerirfa para las distribuciones de la tecnica anterior.

Ademas, el uso de aluminio para la construccion monocasco de peso ligero de la superficie de capa reflectante 20 proporciona una ventaja significativa sobre los espejos de vidrio utilizados en los concentradores convencionales. En los concentradores convencionales que utilizan espejos de vidrio (que comprenden un recubrimiento de superficie reflectante como nitrato de plata y una cubierta de vidrio para proteger dicha superficie reflectante), el haz de luz sufre perdidas despues de entrar en el vidrio protector como un haz incidente y, a continuacion, salir del vidrio como un haz reflejado. Al no requerir una cubierta de vidrio, la presente invencion elimina dicha perdida de luz y ofrece una eficiencia mas elevada.

De acuerdo con el funcionamiento del concentrador solar de la invencion, los anillos concentricos de radiacion solar concentrada creados en las areas focales R-12 y R-14 (en el orden de, por ejemplo, 40 soles o mas) se utilizan mediante un receptor adecuado (como un dispositivo fotovoltaico (PV) y/o un dispositivo termico) para transformar la

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radiacion solar en electricidad y/o calor. Las especificaciones del diseno del receptor se determinaran de manera que concuerden mejor con la distribucion de flujo de energfa deseada por el area focal (es decir, los “anillos”). Tal como se ha mencionado anteriormente, el haz en forma de anillo ofrece un area de superficie mayor para la transferencia de calor en el receptor que el haz en “forma de punto” de la tecnica anterior. Se considera que la capacidad para configurar de manera adecuada la sensibilidad del receptor para concordar con la distribucion del flujo de energfa mejorara aun mas la eficiencia y la economfa del concentrador solar de la invencion en comparacion con los de la tecnica anterior.

Un sistema particular para captar y utilizar la radiacion solar concentrada requiere el uso de una superficie reflectante adicional para redirigir la radiacion enfocada (o por lo menos una parte de la misma) en un receptor asociado. Una ventaja de la utilizacion de una reflexion secundaria es que el receptor se puede situar de un modo mas ventajoso en una localizacion (segunda zona focal) diferente al area focal inicial indicada con las referencias R- 12 y R-14 (las primeras zonas focales). Este aspecto resulta util debido a que los receptores tfpicos del tipo termico o de motor son bastante pesados y, por lo tanto, se considera mas practico emplazar este tipo de receptor en la base. El uso de una segunda zona focal tambien permite que el propio conjunto de concentrador se retire o se repare rapida y facilmente, sin tener que desensamblar un componente del receptor.

Se puede utilizar una pluralidad de superficies y geometrfas de espejos secundarios de diferentes tipos (como vidrio, aluminio, dielectricos). Un aspecto adicional significativo de la presente invencion es la utilizacion de un espejo secundario que consiste en una superficie reflectante Cassegrain. Se puede fabricar un espejo del tipo Cassegrain para permitir la configuracion de un haz de “aplicacion especffica” para su reflejo en el receptor, tfpicamente emplazado en la base del sistema de concentrador.

La Figura 10 es una vista lateral de un sistema de captador solar basado en el concentrador solar 10, que muestra el uso de una superficie reflectante adicional a lo largo de un eje optico, donde los rayos incidentes se concentraran en sus patrones en forma de anillo. En particular, se dispone un reflector secundario 40 en esta localizacion y se utiliza para redirigir la radiacion concentrada en un receptor que se puede emplazar en una segunda zona focal (por ejemplo, en al area central 14 del reflector interno 14).

La Figura 11 es una “vista superior" de la disposicion de la Figura 10. Esta vista muestra claramente las curvaturas y la relacion entre el reflector secundario 40 y el par de reflectores de toroide autointersecante 12 y 14 que forma el concentrador solar 10. El reflector secundario 40 se muestra redirigiendo la radiacion de entrada, enfocada y concentrada en un receptor 15 emplazado en (por ejemplo) el centro del reflector interno 14.

Ademas de permitir el conformado del haz “de aplicacion especffica”, este tipo de distribucion Cassegrain de la presente invencion resulta particularmente adecuado para situaciones en las que se deseen extraer multiples tipos de energfa de la radiacion solar, tal como se ha descrito anteriormente. Ademas, de acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se pueden crear salidas tanto termicas como electricas dirigiendo las longitudes de onda (y las frecuencias) asociadas con la creacion de energfa electrica en una matriz de celda fotovoltaica fijada en el reflector secundario, y redirigiendo la energfa en las longitudes de onda restantes a un motor Stirling u otro tipo de receptor termico. Es decir, incorporando un tipo especffico de filtro “de corte” de longitud de onda (Frecuencia) en el area focal F, se pueden dirigir las diferentes agrupaciones de longitudes de onda a los receptores adecuados.

La Figura 11 muestra el reflector secundario 40 formado de manera que incluya un filtro dielectrico de “tipo de corte” 60 dispuesto sobre la superficie del mismo. El filtro dielectrico 60 esta fabricado para que solo pasen las longitudes de onda asociadas con la creacion de energfa electrica, reflejando la totalidad de las otras longitudes de onda asociadas hacia el receptor 15 (que, por lo tanto, esta configurado como un dispositivo termico). Las longitudes de onda asociadas con la creacion de energfa electrica (por ejemplo, 800-1200 mm) pasaran por el filtro dielectrico 16 e incidiran en una matriz de celda fotovoltaica 17 dispuesta detras del reflector secundario 40. Asf, cubriendo la superficie subyacente del reflector 40 con celdas fotovoltaicas 17, las longitudes de onda que pasan por el filtro 40 se utilizaran de manera eficiente para crear energfa electrica.

Gracias a la incorporacion de ambos tipos de receptores en el sistema, se eliminara muy poca energfa solar restante. Se pueden distribuir varios tipos de receptores y se pueden concebir para su uso en asociacion con esta y otras formas de realizacion de la presente invencion.

Aunque la invencion se ha descrito con respecto a las formas de realizacion preferidas, los expertos en la tecnica entenderan que la invencion no esta limitada a las mismas, y que se pueden realizar cambios y modificaciones en las mismas sin apartarse del alcance de la presente invencion, tal como se define mediante las reivindicaciones siguientes.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Concentrador solar (10), que comprende:

uno o varios reflectores solares concentricos (12, 14), que comprenden:

• por lo menos un reflector solar externo (12) con una zona central (13); y

• por lo menos un reflector solar interno (14), caracterizado por que:

dicho por lo menos un reflector solar interno (14) se superpone a la zona central (13) de dicho por lo menos un reflector solar externo (12),

estando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar externo (12) y estando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar interno (14) configurados para crear en la misma area focal (F) un area focal en forma de anillo (R-12, R-14);

presentando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar externo (12) una primera geometrfa de toroide autointersecante para dirigir la primera radiacion solar reflejada hacia dicha area focal en forma de anillo (R-12); y

presentando cada uno de dicho por lo menos un reflector solar interno (14) una segunda geometrfa de toroide autointersecante para dirigir la segunda radiacion solar reflejada hacia dichas areas focales en forma de anillo (R- 14).
2. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 1, en el que

cada uno de dicho por lo menos un reflector solar externo (12) comprende uno o varios primeros petalos (16) separados dispuestos en una primera disposicion circular; y

cada uno de dicho por lo menos un reflector solar interno (14) comprende uno o varios segundos petalos (18) separados dispuestos en una segunda disposicion circular.
3. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 2, en el que

dicho uno o varios primeros petalos (16) separados se encuentran en una primera disposicion en clave de boveda; y

dicho uno o varios segundos petalos (18) separados se encuentran en una segunda disposicion en clave de boveda.
4. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 2, en el que

cada petalo (16) de entre dicho uno o varios primeros petalos separados presenta una construccion monocasco;

la construccion monocasco comprende una estructura de soporte (25) y una superficie de capa reflectante (20) unida a dicha estructura de soporte (25); y

la superficie de capa reflectante (20) esta configurada para soportar una carga de tensiones de torsion y flexion.
5. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 4, en el que la superficie de capa reflectante (20) de la construccion monocasco de cada petalo (16) de dicho uno o varios petalos separados es amovible y reemplazable.
6. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 4 o 5, en el que la estructura de soporte (25) de la construccion monocasco de cada petalo (16) de dicho uno o varios petalos separados comprende un material de aluminio.
7. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 4 o 5, en el que la superficie de capa reflectante (20) de la construccion monocasco de cada petalo (16) de dicho uno o varios petalos separados comprende un material seleccionado de entre: una primera capa de aluminio pasivado, una segunda capa de aluminio pasivado dispuesta en una superficie de otro material, un material dielectrico altamente reflectante, un polfmero, o una capa de vidrio ultrafino.
8. Sistema de recogida de energfa solar, que comprende el concentrador solar (10) segun la reivindicacion 1; y

5

10

15

20

25

30

35

un receptor,

en el que el receptor esta configurado para convertir la primera radiacion solar y la segunda radiacion solar en el area focal en forma de anillo concentrada (R-12, R-14) en por lo menos una de entre energfa electrica o energfa termica.
9. Sistema de captacion de ene^a solar segun la reivindicacion 8, en el que el receptor esta dispuesto en el area focal de dos o mas reflectores solares concentricos (12, 14).
10. Sistema de recogida de energfa solar segun la reivindicacion 8, que ademas comprende un reflector secundario (40) dispuesto en el area focal de dos o mas reflectores solares concentricos (12, 14), en el que el reflector secundario (40) esta configurado para redirigir por lo menos una parte de la primera radiacion solar y una parte de la segunda radiacion solar.
11. Sistema de recogida de energfa solar segun la reivindicacion 10, en el que el reflector secundario (40) comprende un reflector Cassegrain.
12. Sistema de recogida de energfa solar segun la reivindicacion 10 u 11, en el que el reflector secundario (40) ademas comprende un dispositivo selectivo de longitud de onda (60) configurado para dirigir las primeras longitudes de onda de la primera radiacion solar y la segunda radiacion solar hacia una matriz de celdas fotovoltaicas (17), y para redirigir las longitudes de onda restantes de la primera radiacion solar y la segunda radiacion solar hacia un receptor de energfa termica (15).
13. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 2 o 3, en el que

cada petalo (18) de entre dicho uno o varios segundos petalos separados presenta una construccion monocasco;

la construccion monocasco comprende una estructura de soporte y una superficie de capa reflectante unida a la estructura de soporte; y

la superficie de capa reflectante esta configurada para soportar una carga de tensiones de torsion y flexion.
14. Concentrador solar (10) segun la reivindicacion 1, 2, 3, 4, 5, 6 o 7 que ademas comprende un receptor configurado para convertir la radiacion solar reflejada en por lo menos una de entre energfa electrica o energfa termica.