ES2715305T3 - Procedimiento para la fabricación de un elemento reflector - Google Patents
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Abstract
Elemento reflector para campos solares con estructura tipo sándwich, comprendiendo una lámina reflectante (1 ), una lámina de refuerzo (2) y una capa de espuma (3) dispuesta entre la lámina reflectante (1 ) y la lámina de refuerzo (2). El procedimiento de fabricación del elemento reflector se realiza en una prensa con primeros y segundos medios de aproximación, con las siguientes etapas: calentar los primeros medios de aproximación a una temperatura T1, disponer una lámina reflectante sobre los primeros medios de aproximación y adquiriendo la temperatura T1, disponer unos medios separadores en la periferia de la lamina reflectante, disponer una lámina de refuerzo en contacto con dichos medios separadores, calentar los segundos medios de aproximación a una temperatura T2 diferente a T1, aproximar entre sí los medios de aproximación, contactando los segundos medios de aproximación con la lámina de refuerzo y adquiriendo la temperatura T2, y proporcionar un material espumable rellenando el espacio entre ambas láminas, sometiéndolas a presión, y adquiriendo el material espumable su consistencia final en forma de capa de espuma (3) sustancialmente rígida adherida a ambas láminas.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento para la fabricacion de un elemento reflector
Campo tecnico de la Invencion
La presente invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de un elemento reflector para campos solares. El elemento reflector es de aplicacion en el campo de la tecnologfa termosolar de concentracion, para la produccion de energfa electrica a partir de la radiacion solar.
Antecedentes de la Invencion
La tecnologfa termosolar de concentracion, permite, gracias a las elevadas temperaturas obtenidas al concentrar la radiacion solar mediante un conjunto de reflectores distribuidos a lo largo de un campo solar, la obtencion de vapor o aire calientes que se emplearan para la produccion de electricidad siguiendo procesos convencionales.
De entre las diferentes variantes para generar electricidad por concentracion de la radiacion solar, el elemento reflector de la presente invencion resulta especialmente ventajoso para la tecnologfa de concentracion de torre.
La tecnologfa de torre utiliza un conjunto de reflectores moviles, tambien conocidos como heliostatos, que mediante el movimiento generalmente en torno a dos ejes son capaces de reflejar y concentrar la radiacion solar sobre un unico receptor central situado en la zona superior de una torre.
Cada heliostato comprende a su vez una superficie o lamina reflectante sobre la que incide directamente la radiacion, una estructura portadora, los mecanismos para que la estructura portadora realice los movimientos de orientacion hacia la radiacion solar y medios de union entre la lamina reflectante y la estructura portadora.
La lamina reflectante puede tener un area variable, llegando a ser en aquellas plantas de mayortamano, de hasta 120 m2 Esta lamina esta constituida en realidad por un conjunto de espejos, estando montado cada uno sobre un bastidor que le sirve de elemento de union a la estructura. En un ejemplo particular la lamina reflectante esta constituida por 28 espejos. Las dimensiones de cada uno de estos espejos pueden variar de unas instalaciones a otras, pero un tamano de espejo de uso muy extendido en la industria es 3210 x 1350 mm.
En el contexto de la presente invencion, se entendera por elemento reflectante el conjunto formado por el espejo y el bastidor sobre el que va montado. Este bastidor consiste en una estructura de soporte generalmente metalica, y fabricada a partir de perfiles metalicos unidos entre sf o chapa estampada. Su funcion es aportar rigidez al conjunto, mantener la curvatura en aquellos casos en los que la lamina reflectante lo requiera y posibilitar la union mecanica entre el espejo y la estructura del heliostato.
Generalmente, cada uno de los elementos reflectantes esta dotado de una ligera curvatura para poder dirigir la radiacion solar hacia el foco del campo. El grado de curvatura dependera de la posicion del elemento reflectante en el campo solar.
Las caractensticas tecnicas requeridas a los elementos reflectantes para realizar con eficacia su trabajo de concentrar la radiacion solar en un foco son:
- Precision de curvado para poder concentrar la radiacion reflejada a elevadas distancias.
- Valores de reflectancia por encima del 93 % para maximizar la relacion entre la radiacion reflejada respecto a la radiacion solar incidente.
- Resistencia a la intemperie, manteniendo las propiedades mecanicas y ffsicas a lo largo de la vida util del campo solar.
Ademas de cumplir las especificaciones arriba explicadas, los elementos reflectores deben contribuir a la viabilidad economica del campo solar por lo que su fabricacion debe poder realizarse en condiciones de produccion en masa y utilizando para la misma elementos de bajo coste.
Los principales problemas que presenta la tecnologfa actual son aquellos derivados del diseno y proceso de fabricacion del bastidor que soporta los espejos de lo heliostatos.
Como se ha comentado, estos bastidores estan formados generalmente por un conjunto de perfiles metalicos unidos mecanicamente mediante soldaduras o uniones atornilladas formando una estructura de soporte metalica con un marco exterior que suele ser rectangular.
Un primer problema de este diseno es el excesivo peso de la estructura, derivado de la propia naturaleza de los materiales metalicos. Esta elevada inercia supone una dificultad anadida para la realizacion de movimientos de seguimiento del sol por parte del heliostato. Este tipo de bastidor presenta ademas una debilidad ante los agentes climaticos (corrosion por humedad, dilatacion ante cambios bruscos de temperatura, etc) en aquellos puntos de union entre los distintos elementos metalicos, lo que a largo plazo puede derivar en problemas catastroficos.
El elevado peso de estos bastidores limita ademas el tamano de los espejos que conforman la lamina reflectante del heliostato, precisando portanto de un mayor numero de espejos y en consecuencia, incremento de los costes.
Un tercer problema, y muy importante, es el elevado coste de fabricacion de estas estructuras, motivado por la alta precision geometrica que se requiere para lograr una buena interceptacion. Esto exige trabajar con una elevada precision mecanica y alta calidad dimensional, lo que en procedimientos de fabricacion que incluyen soldaduras y uniones mecanicas implica elevados costes de fabricacion. Este hecho se agrava en aquellos casos en que la lamina reflectante va directamente pegada con adhesivos a la estructura metalica, pues a las dificultades de conseguir una alta precision de construccion en un bastidor curvado, se unen las irregularidades propias de extender el adhesivo sobre una lamina reflectante de bajo espesor, que, a largas distancias, suponen una perdida sustancial de interceptacion.
El documento ES2351755A1 plantea una solucion al problema de la precision de curvado mediante el empleo de unas piezas de fijacion que se adhieren directamente a la superficie del vidrio espejado y posibilitan el curvado de la pieza sobre el bastidor sin necesidad de curvar este ultimo. Sin embargo, este sistema precisa igualmente de unos largos tiempos de ajuste manuales y no soluciona los problemas derivados de la estructura metalica del bastidor.
En el documento ES2326586A1 se sustituye el bastidor a base de perfiles metalicos por un bastidor de chapa aligerada estampada por procesos de embuticion, lo que le confiere un menor peso y mayor rapidez de ejecucion. Sin embargo, el elemento reflector sigue estando constituido por dos unidades independientes, bastidor y lamina reflectante, que es preciso unir. En este caso la union se realiza por adhesivado, de forma que el contacto entre lamina reflectante y bastidor se produce en distintas zonas localizadas del bastidor, lo que exige una elevadfsima precision de mecanizado y es fuente de problemas opticos, tanto por la existencia de zonas de pegado en distintas posiciones como los derivados de la uniformidad de la capa de adhesivo. Todas estas fuentes de error se maximizan y convierten en desviaciones focales en la larga distancia que separan el rayo reflejado del foco receptor.
Todas las soluciones anteriormente descritas tienen en comun el hecho de que el bastidor soporta el espejo por su cara inferior, quedando este con toda su superficie lateral expuesta. Las laminas reflectantes estan generalmente constituidas con un espejo de vidrio monolftico de 3 mm y sin ningun tipo de tratamiento para mejorar sus propiedades mecanicas, por ejemplo, templado. En estas condiciones, los espejos constituyen un punto debil a la hora de realizar las tareas de limpieza y mantenimiento propias del campo solar, siendo fuente de frecuentes roturas y el consiguiente problema de seguridad para las personas.
Ademas de los problemas antes mencionados, los reflectores de este tipo con un bastidor metalico descrito en los parrafos anteriores presenta el problema de controlar las ondulaciones perifericas como resultado del proceso de formacion para obtener la curvatura deseada en el vidrio, ya que dicho proceso de formacion se realiza mecanicamente, que a la larga se traduce en un reflejo no uniforme en los bordes cuando el reflejo objetivo para optimizar la eficacia de una central termosolar de torre es un drculo lo mas perfecto posible.
El documento ES8306688 reivindica un procedimiento de fabricacion de una parte de solucion de los problemas antes mencionados de peso excesivo y roturas en el campo mediante el uso de un elemento reflector de tipo sandwich. Sin embargo, este elemento reflector no elimina los problemas opticos derivados del uso de adhesivos para pegar el espejo de vidrio a un sustrato mas o menos plano, ni permite la fabricacion de elementos reflectores con una superficie grande. Ademas, el procedimiento para fabricacion se lleva a cabo en dos etapas de laminacion. En una primera etapa, la lamina de espejo de vidrio fina se lamina mediante el uso de un adhesivo convencional en una lamina de respaldo y en una segunda etapa, este conjunto se lamina de nuevo en una segunda lamina de respaldo para formar el reflector compuesto terminal. Esta etapa doble incrementa los tiempos de fabricacion y por tanto incrementa los costes del proceso. La primera etapa de laminacion limita ademas las dimensiones maximas del reflector debido a las diferencias de coeficientes de expansion entre el sustrato de vidrio y la lamina en la que se pega directamente.
El documento US2010/0043779 divulga un procedimiento de fabricacion de un elemento reflector en un sistema de prensado que comprende primeros y segundos medios de aproximacion calentados.
Un punto cntico en los procesos existentes de los reflectores de tipo sandwich en los procesos de fabricacion existentes y que las soluciones conocidas no abordan con claridad y eficacia es el control de la precision de la geometna optica de la concentracion debido a las diferencias en los coeficientes de expansion de los materiales a unir.
En el contexto de la presente invencion la precision optica se entiende como la medicion estadfstica obtenida como la rafz cuadrada de la media cuadratica o RMS de los valores de desviacion angular de la superficie reflectante. En el
actual estado de la tecnica, un reflector esferico valido para realizar las funciones de concentrar energfa solar en una central termosolar de tipo torre debe tener un valor de precision optico de superficie menor que 1,5 mrad.
Sumario de la invencion
Los inconvenientes antes mencionados se solucionan mediante un procedimiento de fabricacion de acuerdo con la reivindicacion 1.
Las reivindicaciones dependientes presentan realizaciones ventajosas de la invencion.
Un elemento reflector compuesto de tipo sandwich se proporciona mediante la presente invencion que, a diferencia de los elementos anteriores, se forma en una unica etapa de fabricacion eliminando la dualidad de bastidor-espejo siguiendo un proceso con control de temperatura diferencial. El resultado del procedimiento para fabricacion es un elemento reflector compuesto autoportante adecuado para anclarse directamente a la estructura portante del heliostato sin necesitar elementos de soporte intermedios, sin ondulaciones perifericas y con un buen factor de intercepcion.
El elemento reflector presenta una estructura tipo sandwich que comprende una lamina reflectante adecuada para reflejar radiacion solar, una lamina de refuerzo y una capa de espuma dispuesta entre la lamina reflectante y la lamina de refuerzo.
El procedimiento para fabricar el elemento reflector de la invencion se implementa en un sistema de prensado que comprende primeros medios de aproximacion y segundos medios de aproximacion, y comprende las siguientes etapas:
- calentar el primer medio de aproximacion a una temperatura T1,
- disponer una primera lamina reflectante en dicho primer medio de aproximacion, adquiriendo la lamina reflectante dicha temperatura T1,
- disponer medios de separacion en la periferia de la lamina reflectante,
- disponer una lamina de refuerzo en contacto con dichos medios de separacion en la distancia definida por la altura de la misma,
- calentar el segundo medio de aproximacion a la temperatura T2 diferente de T1,
- mover el primer y segundo medio de aproximacion mas cerca entre sf, de manera que el segundo medio de aproximacion contacte con la lamina de refuerzo y adquiera la temperatura T2, y
- proporcionar un material espumable de manera que llene completamente el hueco entre la primera lamina y la lamina de refuerzo sometiendolas a presion, adquiriendo el material espumable su consistencia final y formando una capa sustancialmente ngida de espuma adherida a ambas laminas, y
- extraer el elemento reflector y dejar que se enfne a una temperatura ambiente una vez que el proceso de curado de la capa de espuma se completa.
En una realización, el medio de aproximacion del sistema de prensado corresponde a las placas convencionales de una prensa de fabricacion. Ademas, el medio de separacion que puede actuar como medio para retener o confinar la espuma a inyectar, establece una distancia adecuada para configurar un elemento reflector.
En una variante de realización, la lamina reflectante y/o lamina de refuerzo adoptaran un cierto grado de curvatura gracias a algun medio de curvado, preferentemente moldes, dispuesto en el medio de aproximacion.
Ventajosamente la diferencia de temperatura entre T1 y T2 esta en el intervalo de 1 a 30, y preferentemente de 5 a 20 °C.
La lamina reflectante permite realizar las funciones de reflexion de la radiacion solar segun los requerimientos descritos anteriormente. La lamina reflectante puede ser una lamina plastica, metalica o de vidrio. Para garantizar las propiedades de reflexion requeridas, la lamina reflectante puede estar dotada de un recubrimiento reflectante.
Dicha lamina reflectante esta en contacto con el material espumable que se compacta en la capa de espuma que sirve para intercalar, formando una estructura de tipo sandwich con una segunda lamina de refuerzo o rigidizadora, obteniendo asf un sandwich extremadamente ngido como resultado de la accion conjunta de las dos laminas por el material para intercalar. Los componentes principales del sandwich se unen asf en un solo paso de fabricacion para formar un unico elemento reflector autoportante.
Aunque se han realizado intentos de fabricacion de espejos termosolares compuestos de peso ligero como el descrito como estado de la tecnica, estos procedimientos requieren la utilizacion de adhesivos intermedios, operaciones de laminacion y materiales adicionales y no solucionan eficazmente los grandes requisitos de precision optica requerida por la industria hoy. Esto se traduce en perdida de interceptacion a larga distancia, limitacion de dimensiones maximas y elevados costes de fabricacion, por lo que la industria termosolar no los emplea en la actualidad.
En una realizacion preferida en que la lamina reflectante es una lamina de vidrio dotada de un recubrimiento reflectante, el recubrimiento reflectante puede estar dispuesto en cualquiera de las dos caras mayores de la lamina, tanto por la cara en contacto con la capa de espuma (cara trasera) como por la cara sobre la que incidira en primer lugar la radiacion solar en una situacion de uso del elemento reflector (cara delantera).
El recubrimiento reflectante, tanto si se encuentra dispuesto sobre la cara delantera como si se encuentra sobre la cara trasera, puede ser de tipo monocapa o multicapa (constituido por un conjunto de capas). En cualquiera de los casos anteriores, la lamina reflectante puede disponer de las capas protectoras del recubrimiento reflectante que se consideren necesarias.
El material del recubrimiento reflectante puede ser cualquiera (por ejemplo plata, aluminio, etc.) mientras sea adecuado para la reflexion de la radiacion solar. Asimismo, el recubrimiento reflectante puede estar depositado mediante cualquier tecnica adecuada, tal como reduccion qmmica, reaccion qmmica sobre superficies calientes, inmersion, deposicion ffsica de vapor (PVD), etc. Igualmente, el recubrimiento reflectante puede ser una lamina reflectante adherida a la lamina de vidrio en cualquiera de sus caras.
En una realizacion ventajosa, la lamina reflectante sera de un espesor de menos de 4 mm, lo que facilitara el curvado de la misma cuando sea necesario y reducira el peso. Estas laminas reflectantes de menos de 4 mm de espesor, y, en particular en caso de que el recubrimiento reflectante este depositado en la cara trasera, incrementara los valores de reflectividad por encima de laminas reflectantes mas gruesas. Preferiblemente, el espesor de la lamina de vidrio estara comprendido entre 0,8 mm y 4 mm, mas preferiblemente entre 1,6 mm y 3 mm.
En el caso de una lamina de vidrio, el sustrato plano de vidrio sera preferentemente de vidrio de silicato sodocalcico que puede haber sido sometido a algun tratamiento termico o qmmico, como por ejemplo templado, ya sea para dotarlo de una geometna curvada y/o para mejorar su resistencia mecanica.
El sustrato de vidrio sera preferentemente monolftico.
El material de la lamina de refuerzo puede ser cualquiera con las caractensticas de resistencia a la intemperie, mecanicas y de adherencia adecuadas. En una realizacion preferida, la lamina de refuerzo sera una chapa de metal, tal como aluminio, acero galvanizado o acero pintado. Este material puede presentar ademas recubrimientos que mejoren sus propiedades de durabilidad y/o adherencia a la espuma intercalar. El espesor de la chapa de metal sera preferiblemente de entre 0,3 y 1,5 mm, mas preferiblemente de entre 0,5 y 1,5 mm, aun mas preferentemente entre 0,5 y 1,0 mm.
La lamina de refuerzo puede presentar un perfil plano u ondulado. Ventajosamente la seccion de la lamina de refuerzo tendra un perfil ondulado para incrementar la rigidez a flexion del elemento reflector compuesto y minimizar asf los esfuerzos de traccion sobre la lamina de vidrio reflectante. Ventajosamente, la direccion de los ejes del perfil ondulado o nervios sera la de mayor dimension del elemento reflector.
La adherencia del material espumable intercalar a las superficies de la lamina reflectante y de la lamina de refuerzo depende de la tension superficial de estas. Para garantizar una buena adherencia, el valor de la tension superficial de las superficies en contacto con el material intercalar sera preferiblemente superior a 36 mN/m, mas preferiblemente superior a 38 mN/m. En el caso de una lamina reflectante de vidrio, si esta lleva el recubrimiento reflectante y/o revestimientos adicionales en la cara posterior, entonces la ultima capa de revestimiento en contacto con la espuma debe cumplir esta condicion. Aunque el tipo de revestimiento no esta restringido, preferiblemente la ultima capa de revestimiento en contacto con la espuma sera una pintura, mas preferiblemente una pintura de tipo poliuretano.
Cuando la lamina de vidrio lleva el recubrimiento reflectante, y las capas protectoras si las hubiera, en la cara delantera, entonces la superficie de la cara trasera de la lamina de vidrio estara en contacto con la espuma adhesiva. Aunque esta comprobado que la superficie de un vidrio suficientemente limpio tiene una tension superficial adecuada para garantizar una buena adhesion, se puede emplear opcionalmente cualquier tipo de recubrimiento en la cara trasera que favorezca las condiciones de adherencia de la misma.
Como material intercalar para conformar la capa de espuma de la estructura de tipo sandwich resulta especialmente ventajoso el empleo de espumas ngidas de poliuretano, preferentemente con estructura celular cerrada. Este material presenta las propiedades de durabilidad, resistencia a la corrosion y a los elementos atmosfericos, impermeabilidad, estabilidad dimensional, caractensticas mecanicas y de rigidez requeridas para integrarse en el elemento reflector. No obstante, puede emplearse cualquier producto espumable que presente caractensticas adecuadas.
Para que el comportamiento mecanico ante las solicitaciones exteriores, principalmente cargas de viento, y la relacion de peso del elemento reflector compuesto sea la adecuada, el material intercalar espumable cuando esta asentado y en condiciones de servicio, tendra preferiblemente una resistencia a la traccion perpendicular (segun EN1607) superior a 0,08 MPa y/o preferiblemente un modulo a traccion perpendicular (segun EN1607) superior a 2,9 MPa y/o una resistencia a compresion (segun EN826) superior a 0,08 MPa y/o un modulo a compresion (segun EN826) superior a 2,9 MPa. La densidad sera preferiblemente de entre 30 y 80 Kg/m3, mas preferiblemente entre 40 y 60 Kg/m3.
El espesor de la espuma intercalar una vez cohesionada y conformada la estructura tipo sandwich sera preferiblemente de entre 20 y 200 mm, preferiblemente de entre 40 y 80 mm o entre 30 y 40.
Los medios de separacion mecanicos para separar la lamina reflectante y la lamina de refuerzo pueden opcionalmente proporcionarse en el procedimiento de la invencion como la etapa anterior a inyectar el material espumable. Dichos medios de separacion pueden disponerse dentro de la estructura tipo sandwich, por lo que se incrustanan en su interior. Los medios de separacion pueden adicionalmente o como alternativa proporcionarse en la periferia. Ventajosamente, los medios de separacion que se disponen en la periferia pueden retirarse una vez que el material espumable se endurece, dando lugar a cavidades que permiten, por ejemplo, uniones machihembradas.
En la realizacion preferente del procedimiento y sistema de la invencion, los elementos mecanicos, tal como por ejemplo metal laminar, se disponen limitando los bordes del area a inyectar, a lo largo de toda la periferia como un armazon.
En algunos casos, cuando el material espumable se expone por muchos anos a radiacion ultravioleta, puede sufrir un ligero envejecimiento de superficie. Por tanto, en una realizacion particular una cubierta protectora perimetrica se dispone como un armazon para evitar que la radiacion ultravioleta alcance la espuma. La cubierta perimetrica puede, por ejemplo, ser un recubrimiento de pintura, un cerclaje plastico o metalico.
Ventajosamente, la cubierta perimetrica se realiza con la propia lamina de refuerzo, de manera que tiene una extension en la dimension de la misma, que permite hacer una flexion local en la periferia con la longitud minima necesaria para cubrir los bordes del sandwich. En la solucion particular, la lamina de refuerzo es una placa metalica provista de una proteccion anticorrosion, por ejemplo galvanizado o lacado.
La lamina de refuerzo tiene unos bordes en forma de U doblados, la base de la U definiendo el espesor del elemento reflector y comprende ademas un orificio a traves del que el material espumable se inyecta.
En referencia al procedimiento de fabricacion para esta realizacion particular, despues de calentar el primer medio de aproximacion a una temperatura T1 y disponer la primera lamina reflectante en dicho primer medio de aproximacion, un armazon perimetrico se dispone, la funcion del cual es evitar la fuga de material espumable. En el momento de la inyeccion, la lamina de refuerzo se dispone con sus extremos doblados en contacto con el armazon perimetrico y el segundo medio de aproximacion se calienta a la temperatura T2 diferente de T1. Despues, gracias a algun medio de accionamiento, el medio de aproximacion o las placas de la prensa se mueven mas cerca hasta que el segundo medio de aproximacion contacta con la lamina de refuerzo y el material espumable se inyecta a traves de un orificio proporcionado para tal fin en el borde doblado de la lamina de refuerzo, y el conjunto se mantiene en esa posicion siempre y cuando el curado de la espuma dure. Ventajosamente, una vez que el proceso termina, las areas de contacto entre ambas laminas y el borde del sandwich se sellan en sus esquinas para evitar que entre la humedad. El material sellante puede ser cualquier material conocido, por ejemplo butilo o silicio.
En otra realización, la lamina de refuerzo se proporciona con alojamientos para elementos de anclaje para anclar a una estructura de soporte. Dichos elementos de anclaje, por ejemplo, elementos roscados, se disponen en los alojamientos de la lamina de refuerzo cuando esta ultima se dispone en el medio de soporte, antes del proceso de inyectar el material espumable. Una vez la espuma intercalada se adhiere, los elementos de anclaje para anclar a la estructura se incrustan en la estructura tipo sandwich en un extremo y en el otro extremo son accesibles para realizar la union mecanica correspondiente con la estructura portante del heliostato. Este procedimiento para anclar no es exclusivo ya que las secciones metalicas pueden como alternativa o adicionalmente unirse posteriormente, por ejemplo mediante operaciones de soldadura, a la lamina de refuerzo para incrementar la rigidez del sistema y/o adaptarse a cualquier diseno de anclaje.
El procedimiento de la invencion permite la fabricacion de elementos reflectores con diferentes curvaturas. Para este fin es suficiente que el medio de soporte en el que la primera lamina se dispone, por ejemplo un troquel, tenga la curvatura deseada. En ese caso, una vez que los procesos de prensado e inyeccion terminan, el elemento reflector resultante sera autoportante y tendra la curvatura deseada. La primera lamina puede adicionalmente o como alternativa tener un cierto grado de curvatura antes del proceso de inyeccion y prensado.
Si unos grados mayores de curvatura se necesitan, el medio de soporte para soportar la lamina de refuerzo tambien puede tener una geometna curvada y/o incluso la propia lamina de refuerzo puede tener una curvatura antes del proceso de prensado.
El procedimiento de la invencion en el que el elemento reflector compuesto autoportante se fabrica en una unica etapa durante el proceso de formacion y adherencia implica una ventaja tecnica considerable y reduccion de tiempo de fabricacion con respecto a tecnologfas anteriores.
La presente invencion proporciona un procedimiento de fabricacion a bajo coste y produccion en masa de reflectores compuestos autoportantes cuyo campo principal de uso es la tecnologfa de produccion de potencia termosolar mediante un sistema de torre. Sin embargo, la presente invencion y sus ventajas tambien pueden extenderse a otras
tecnologfas que requieren el uso de elementos reflectores pianos y/o curvados para concentrar la radiacion solar, tal como por ejemplo tecnologfa de cilindro parabolico, tecnolog^a de disco o tecnologfa Fresnel.
Mientras se inyecta el material espumable, las dos laminas que forman la estructura tipo sandwich se someten a presion alta y por tanto a tensiones compresoras altas. El uso de una lamina reflectante con un sustrato de vidrio es particularmente ventajoso en este sentido debido a la resistencia de compresion alta del vidrio.
Los problemas de corrugacion de reflexion y precision optica de reflectores actuales se solucionan mediante el procedimiento descrito en la presente invencion.
En una configuracion convencional de un elemento tipo sandwich donde las laminas en ambos lados de la espuma intercalada tienen el mismo coeficiente de expansion, el procedimiento de fabricacion y sistema que comprende los dos moldes entre los que la inyeccion se lleva a cabo requiere el calentamiento de ambos moldes a una unica temperatura para permitir el curado y solidificacion de la espuma intercalada preferentemente entre 20 y 40 °C. Para este fin, el sistema se proporciona con medios de calentamiento generalmente consistiendo en un unico circuito con un fluido a temperatura, preferentemente agua.
En el caso del elemento reflector objeto de la presente invencion, la lamina reflectante y la lamina de refuerzo tienen diferentes coeficientes de expansion. Esto implica que al usar procesos convencionales con una temperatura de calentamiento para ambos moldes, despues del proceso de calentamiento requerido para curar la espuma intercalada, ambos materiales tendran diferentes dimensiones y tras enfriarse, la curvatura de la lamina reflectante se modificara inevitablemente, perdiendo la precision optica conferida por la curvatura del molde.
Los inventores han solucionado este inconveniente anadiendo un circuito adicional con un fluido de calentamiento, de manera que cada molde tiene su propia regulacion de temperatura independiente. Las dimensiones finales de la lamina de refuerzo y la lamina reflectante resultante justo despues del proceso de curado a temperatura se controlan asf con diferencias de temperatura adecuadas. Una vez que ambos materiales recuperan sus dimensiones a temperatura ambiente, el resultado es una lamina reflectante con la curvatura deseada, ya que no se modifica sustancialmente por la accion mecanica de la lamina de refuerzo tras recuperar las dimensiones originales.
Por tanto, en lmea con el procedimiento de fabricacion descrito, el sistema de prensado para fabricar el elemento reflector de la invencion comprende,
- primeros medios de aproximacion adecuados para soportar una primera lamina reflectante,
- primeros medios de calentamiento para calentar los primeros medios de aproximacion a la temperatura T1, de manera que la primera lamina reflectante tambien adquiere dicha temperatura T1,
- medios de separacion adecuados para disponerse en la periferia de la lamina reflectante una vez que la lamina se dispone en el primer medio de aproximacion y para contactar con una lamina de refuerzo,
- segundos medios de aproximacion,
- medios de calentamiento para calentar el segundo medio de aproximacion a una temperatura T2 diferente de T1, - medios de accionamiento para mover el primer y segundo medio de aproximacion mas cerca entre sf a una distancia establecida por los medios de separacion; y
- medios de inyeccion para proporcionar un material espumable de manera que llene completamente el hueco entre la primera y la segunda lamina de refuerzo sometiendolas a presion, el material espumable adquiriendo su consistencia final y formando una capa sustancialmente ngida de espuma adherida a ambas laminas.
- Medios de extraccion adecuados para extraer el elemento reflector.
Adicionalmente, los primeros y/o segundos medios de aproximacion del sistema de prensado comprenden medios de curvado, preferentemente moldes, para proporcionar una curvatura a las primeras (1) y/o segundas (2) laminas.
Adicionalmente o como alternativa, el grado de curvatura de la lamina reflectante puede controlarse mediante la compensacion mecanica de la curvatura del molde en el que la lamina reflectante se forma, de manera que la curvatura resultante es la curvatura adecuada en recuperacion dimensional.
Ventajosamente, la mecanizacion de molde, uniformidad de superficie de la espuma intercalada cuando ocupa el volumen confinado entre ambas laminas, y el control de expansion permiten obtener una superficie reflectante que no solo tiene la precision optica requerida sino que ademas no tiene ondulaciones. Esto resulta en una reflexion de radiacion mas uniforme, similar a la forma objetivo del disco solar (en el caso de plantas de torre), que la de los elementos reflectores actuales, cuya reflexion corresponde a un contorno con muchas irregularidades en la periferia de los mismos.
Tanto el procedimiento como sistema son validos para la produccion en masa y presentan ademas la ventaja anadida de que se pueden producir distintos tamanos de reflector sin necesidad de construir un sistema de utillaje diferente para cada tamano, tal y como sucede con otros procedimientos anteriormente mencionados.
Ventajosamente, la rigidez de la estructura tipo sandwich y la gran superficie de contacto entre cada una de las laminas que la conforman, lamina reflectante y lamina de refuerzo, permite la fabricacion de elementos reflectores autoportantes de dimensiones sustancialmente superiores a las de los espejos que se montan en la actualidad sobre los heliostatos. Una ventaja adicional es que las grandes dimensiones que pueden alcanzar reflectores de este tipo no interfieren con su capacidad resistente una vez montados en campo, pues se puede dotar al mismo de tantos puntos de apoyo como sean necesarios sobre la estructura portante del heliostato tal y como se ha descrito anteriormente.
Ventajosamente, para incrementar la resistencia mecanica del conjunto y minimizar los esfuerzos a traccion sobre la lamina reflectante de vidrio, se puede prever la utilizacion de un emparrillado de estructura metalica a modo de armadura, con una funcion analoga a la que desarrolla en el hormigon armado. Dicho emparrillado se colocana entre las laminas de vidrio y de refuerzo como paso previo a la inyeccion del material espumable y quedana embebido en la estructura tipo sandwich, formando parte de ella.
Ademas de la posibilidad de fabricar elementos reflectores autoportantes de grandes dimensiones y poco peso, la ventaja de este sistema es que, al estar la lamina de vidrio formando parte de un emparedado, no se encuentra expuesta y portanto se minimizan los riesgos de rotura durante las operaciones de mantenimiento del campo solar. En caso de rotura accidental, que es mas frecuente durante las operaciones de montaje, se minimizan igualmente los riesgos ffsicos para las personas. Ventajosamente, si la rotura se produce durante la vida en servicio, el elemento reflector seguira cumpliendo su funcion de reflejar la radiacion, al mantenerse la lamina de espejo en contacto con el material intercalado incluso estando rota.
Ventajosamente, el elemento reflector de la invencion puede montarse directamente en las estructuras portantes de una instalacion termosolar sin necesidad de bastidores de soporte intermedios.
El procedimiento de fabricacion reivindicado y las caractensticas de los materiales empleados permiten una importante reduccion en los tiempos de ensamblado y montaje, asf como la fabricacion de elementos reflectores de superficie sustancialmente superior a los que se fabrican en la actualidad con unos elevados valores de reflectancia y precision optica.
En un cuarto aspecto inventivo no reivindicado la invencion se refiere a un heliostato que comprende al menos un elemento reflector segun el primer aspecto inventivo.
En un quinto aspecto inventivo no reivindicado la invencion se refiere a una instalacion solar que comprende al menos un heliostato segun el tercer aspecto inventivo.
Todas las caractensticas descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripcion y dibujos) y/o las todas etapas del procedimiento descrito pueden combinarse en cualquier combinacion, exceptuando las combinaciones de tales caractensticas y/o etapas mutuamente excluyentes.
Breve descripcion de los dibujos
Para una mejor comprension de la invencion, sus objetos y ventajas, se adjuntan a la memoria las siguientes figuras en las que se representa lo siguiente:
La figura 1 muestra una realizacion plana del elemento reflector compuesto.
La figura 2 muestra una realizacion curvada del elemento reflector compuesto.
Las figuras 3A-3C muestran secciones de tres realizaciones del elemento reflector.
Las figuras 4A-4C muestran tres realizaciones del detalle A de la Fig. 3A.
Las figuras 5A-5B muestran dos vistas del detalle B de la Fig. 3A ampliado.
Las figuras 6A-6C muestran vistas de la realizacion en la que la propia lamina de refuerzo actua como la cubierta perimetrica del elemento reflector.
Realizaciones de la invencion
En la figura 1 se muestra una realizacion plana de un elemento reflector compuesto, que comprende una lamina de vidrio (1) espejado, una lamina de refuerzo (2), por ejemplo de chapa metalica o similar, y una capa de espuma (3), por ejemplo de poliuretano o similar. Aun cuando no se representa explfcitamente en algunas figuras, la lamina de vidrio (1) presenta un recubrimiento reflectante (4) adecuado. En la figura 2 se representa un elemento reflector con la misma estructura, con la unica diferencia de que presenta una cierta curvatura, conveniente en ciertas aplicaciones del elemento reflector.
En ambas realizaciones se aprecia que la lamina de refuerzo (2) presenta un perfil con una cierta ondulacion. El perfil ondulado de la lamina de refuerzo (2) incrementa la rigidez a flexion del elemento reflector y minimiza los esfuerzos de traccion sobre la lamina de vidrio (1) reflectante.
En las figuras 3A-3C se muestran secciones de tres realizaciones del elemento reflector. En la figura 3A se observa que la lamina de refuerzo (2) presenta un perfil plano, mientras que en las figuras 3B y 3C la lamina de refuerzo (2) presenta un perfil ondulado, con una serie de nervaduras que se extendenan en la direccion perpendicular al plano de la figura, con nervaduras mas proximas entre sf en el caso de la figura 3B que en el caso de la figura 3C.
Ademas, en la figura 3A se han senalado en lmea discontinua dos detalles, que se amplfan en las figuras 4 y 5, respectivamente.
En la figura 4 se muestran distintas realizaciones del detalle A de la figura 3A ampliado, correspondientes al acabado del elemento reflector en la zona del canto de la lamina de vidrio.
En la figura 4A se observa una porcion de la lamina de vidrio (1) y de la capa de espuma (3) de un elemento reflector. En esta realizacion el recubrimiento reflectante (4) esta provisto en la cara trasera de la lamina de vidrio (1), asf como una o varias capas de pintura (5) sobre el recubrimiento reflectante (4). Para proteger el canto de la lamina de vidrio (1) en la zona del recubrimiento reflectante (4), el elemento reflector presenta una capa protectora lateral (7) del canto. En la realizacion de la figura 4B, se muestra un elemento reflector con la misma estructura de capas que el de la figura 4A. En este caso, el elemento reflector presenta un cordon protector (8) como proteccion del canto. En la figura 4C se representa una realizacion en la que la capa de espuma (3) se extiende no solo entre las laminas de vidrio (1) y de refuerzo (2), sino por el canto de la lamina de vidrio (1), como elemento protector.
En las figuras 5A y B se muestran dos vistas, en seccion y un corte en perspectiva, del detalle B senalado en la figura 3A. En esta realizacion la capa de espuma (3) incluye un elemento mecanico de sujecion (6), tal como un casquillo cilmdrico, un remache o similar, con una rosca interna (11) M8. Dichos elementos pueden introducirse en el material espumable durante el procedimiento de fabricacion del elemento reflector para que permanezcan embebidos una vez endurecida la espuma. La lamina de refuerzo de esta realizacion presenta un taladro (9) en correspondencia con el elemento de sujecion (6), lo que permite introducir un tornillo o perno para amarrar facilmente el elemento reflector a una estructura de soporte de un heliostato. En caso necesario, pueden complementarse la disposicion del elemento de sujecion (6) embebido en la espuma con unos puntos de soldadura o de adhesivo (10) en la union entre la espuma, el elemento de sujecion (6) y la lamina de refuerzo (2) para una fijacion reforzada.
Un elemento reflector como el mostrado esquematicamente en las figuras puede fabricarse mediante el procedimiento descrito a continuacion.
Sobre unos primeros medios de soporte o aproximacion, tales como un primer troquel, se coloca una lamina de vidrio (1) calentada a una temperatura T1. El troquel debe presentar un mecanizado de precision que garantice la planimetna dimensional de la lamina de vidrio (1). Con un sistema de topes laterales dispuestos en el troquel puede asegurarse la posicion de la lamina de vidrio (1) y ajustar las distintas dimensiones de la misma. La lamina de vidrio (1) puede estar dotada de un recubrimiento reflectante (4) cuando se dispone en los medios de soporte, o bien puede proporcionarse el recubrimiento reflectante (4) sobre la cara expuesta de la lamina de vidrio de la estructura de tipo sandwich ya formada.
Un armazon perimetrico se coloca entonces en la periferia de la lamina (1) para evitar la fuga de material espumable en el tiempo de inyeccion, la lamina de refuerzo (2) se dispone con sus extremos doblados en contacto con el armazon perimetrico y los segundos medios de aproximacion o troquel se calientan a la temperatura T2 diferente de T1, de manera que la lamina de refuerzo tambien adquiere dicha temperatura T2. Las tolerancias de mecanizado del segundo troquel deben garantizar igualmente los requerimientos dimensionales de la lamina de refuerzo (2). El sistema de topes laterales del troquel posiciona la lamina de refuerzo (2) y permite ajustar distintas dimensiones de la misma.
Lo troqueles se mueven mas cerca uno de otro mediante un sistema de accionamiento de prensa y con el sistema manteniendose en esta posicion, el material espumable se inyecta de manera que llene completamente el hueco entre las ambas laminas (1, 2), sometiendolas a presion. Por ultimo, se deja que la espuma se vaya compactando y se adhiera por completo a ambas laminas (1, 2) hasta que este completamente asentada, configurando una capa de espuma intercalar (3).
En una realización, la lamina reflectante (1) es un sustrato de vidrio provisto de recubrimientos reflectantes y protectores del mismo contra corrosion, la diferencia de temperatura entre T1 y T2 esta entre 1 y 30 °C, preferentemente entre 5 y 20 °C, y el tiempo de curado esta entre 5 y 30 minutos, y preferentemente entre 10 y 18 minutos.
Al separar los troqueles, el conjunto formado por las dos laminas (1, 2) y la espuma intercalar formaran un conjunto unico de elemento reflector compuesto con las propiedades opticas de reflexion, mecanicas (rigidez, poco peso...) y dimensionales adecuadas para realizar su funcion.
Si se desea que el elemento reflector presente una cierta curvatura, como resulta habitual en las aplicaciones de concentracion de radiacion solar, basta con que los medios de soporte sobre los que se dispone la primera lamina tengan la curvatura deseada, y adicional o alternativamente, la primera lamina (1) puede presentar un cierto grado de
curvatura previa al proceso de inyeccion y prensado.
Si se requieren mayores grados de curvatura, los medios de soporte de la lamina de refuerzo (2) tambien pueden presentar una geometna curvada, y/o incluso, la propia lamina de refuerzo (2) puede presentar una curvatura previa al proceso de prensado.
En una realizacion mostrada en las Figuras 6A-6C, el elemento reflector comprende una cubierta protectora perimetrica como armazon para evitar que la radiacion ultravioleta alcance la capa de espuma (3). Dicha cubierta perimetrica se realiza con la propia lamina de refuerzo (2) de manera que tiene una extension en sus dimensiones que permite realizar una flexion en la periferia con la longitud minima necesaria para cubrir los bordes del sandwich. La lamina de refuerzo (2) tiene unos bordes en forma de U doblados, un primer sector (15) cubriendo la mayona del borde del elemento reflector, es decir del espesor del elemento reflector, y un segundo sector (14) despues del anterior, cerrando el penmetro del elemento reflector con la ayuda de una cuerda sellante (13).
Ventajosamente, el elemento reflector comprende un orificio (12) a traves del que el material espumable se inyecta. En una realizacion particular, dicho orificio (12) esta en el borde del elemento reflector, espedficamente en el primer sector (15) de la cubierta perimetrica formada por la propia lamina de refuerzo (2).
Desde el punto de vista mecanico, se ha realizado un calculo para cuantificar la resistencia mecanica del elemento reflector de la invencion frente a las solicitaciones externas durante su uso.
Debido a la amplia gama de posibilidades en cuanto a los parametros a escoger (diferentes espesores de vidrio, diferentes espesores de chapa y espuma, diferente geometna de la chapa, etc.) se ha considerado un caso medio como muestra. Esto consiste en un panel compuesto con una lamina de vidrio de 2 mm de espesor, una lamina de refuerzo de chapa de 0,5 mm de espesor y un espesor total del elemento reflector de 40 mm. Los datos fundamentales para los elementos componentes del panel son:
Vidrio:
- Modulo de elasticidad (E) = 70000 MPa
- Tension admisible a traccion: 10 MPa
- Tension de rotura a traccion ultima: 40 MPa
- Tension de rotura a compresion ultima: 1000 MPa
- Densidad: 2,5 kg/m2 por milfmetro de espesor
Espuma de poliuretano:
- Modulo de elasticidad (E) = 3 MPa
- Tension admisible a traccion/compresion: 0,1 MPa
- Tension admisible a cortante: 0,025 MPa
- Densidad: 40 kg/m3
Chapa de acero (galvanizado o pintado):
- Geometna plana
- Modulo de elasticidad (E) = 210000 MPa
- Tension admisible (lfmite elastico): 240 MPa
- Peso (fuente: datos comerciales): 4,7 kg/m2
El calculo realizado consiste en determinar la seccion equivalente de todos los materiales, para asf obtener la fibra neutra del conjunto. A partir de este punto se obtiene mediante la ley de Navier el momento flector maximo posible para cada material (en funcion de su tension lfmite). Posteriormente, tomando una distancia entre apoyos de 2,4 metros (equivalente a los apoyos de disenos actuales de heliostatos) se obtiene la maxima carga que podna soportar el modulo, y a continuacion se ha procedido a traducir dicha carga a presion dinamica (y en consecuencia velocidad de viento) equivalente.
Todos los calculos han sido realizados con consideraciones lineales, teona de pequenas deformaciones y cargas de corta duracion y de aplicacion progresiva, con apoyos elasticos y perfectos. Se ha valorado el lfmite del vidrio y espuma tanto a traccion como a compresion, a la vez que se ha valorado para la espuma el esfuerzo de cizalladura, como falta de union cohesiva. La union adhesiva no se ha considerado.
Los resultados para este caso particular presentan una resistencia a vientos de mas de 104 Km/h sin roturas en la unidad, siendo la exposicion en el peor de los casos posibles (viento por el lado de la chapa con un angulo de exposicion completamente perpendicular respecto a la direccion del viento). Obviamente, cualquier cambio en la geometna del diseno o material modificara los resultados, pudiendo ser incluso bastante mejores si la geometna de la lamina de refuerzo aporta mayor inercia a la seccion. El peso de la unidad en este caso supone 11,2 kg/m2
Claims (5)
1. Un procedimiento de fabricacion de un elemento reflector para campos solares en un sistema de prensado que comprende primeros medios de aproximacion y segundos medios de aproximacion, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:
- calentar el primer medio de aproximacion a una temperatura T1,
- disponer una primera lamina reflectante (1) en dicho primer medio de aproximacion, adquiriendo la lamina reflectante (1) dicha temperatura T1,
- disponer medios de separacion en la periferia de la lamina reflectante (1),
- disponer una lamina de refuerzo (2) en contacto con dichos medios de separacion,
- calentar el segundo medio de aproximacion a una temperatura T2 diferente de T1,
- mover el primer y segundo medio de aproximacion mas cerca entre sf, de manera que el segundo medio de aproximacion contacta con la lamina de refuerzo y adquiere la temperatura T2, y
- proporcionar un material espumable de manera que llene completamente el hueco entre la primera lamina reflectante (1) y la lamina de refuerzo (2) sometiendolas a presion, el material espumable adquiriendo su consistencia final y formando una capa sustancialmente ngida de espuma (3) adherida a ambas laminas, y - extraer el elemento reflector (1) y dejarlo enfriar a temperatura ambiente una vez que el proceso de curado de la capa de espuma (3) se completa.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende proporcionar un recubrimiento reflectante en la cara expuesta de la primera lamina (1) del elemento reflector.
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la diferencia de temperatura entre T1 y T2 esta en el intervalo de 1 a 30, y preferentemente de 5 a 20 °C.
4. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el primer y/o segundo medio de aproximacion comprende medios de curvado, preferentemente moldes, para proporcionar una curvatura a la primera (1) y/o segunda (2) lamina.
5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la primera lamina (1) es una lamina de vidrio con un recubrimiento reflectante.
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