ES2897716T3

ES2897716T3 - Central solar de alta eficiencia y bajo coste

Info

Publication number: ES2897716T3
Application number: ES13770714T
Authority: ES
Inventors: Subodh Verma
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: AU2013311227B2; BR112015005106A2; EP2893267B1; AU2013311227A2; BR112015005106B1; MX368348B; EA201590510A1; US20150184894A1; WO2014037892A3; MX2015002876A; EP2893267A2; AU2013311227A1; EA034432B1; JP2015534028A; WO2014037892A2; AP2015008316A0; SA515360115B1; MY182307A; JP6417328B2; US10288320B2

Abstract

Un sistema para la generación de potencia eléctrica y el almacenamiento de calor, generándose dicha potencia a partir de energía solar, comprendiendo dicho sistema: - un bucle primario, comprendiendo dicho bucle primario al menos una matriz solar y al menos una unidad de almacenamiento de calor, estando dicha unidad de almacenamiento de calor adaptada para recibir y almacenar energía térmica procedente de dicha matriz solar; - un bucle secundario que se comunica operativamente con dicho bucle primario; en donde dicha al menos una matriz solar comprende una pluralidad de conjuntos de plato reflector, comprendiendo cada conjunto de plato reflector: - un medio de plato reflector (10) que tiene unas superficies reflectantes y un medio receptor, estando dicho medio receptor (12) localizado en el punto focal fijo de dicho medio de plato reflector, por lo que dichos medios de plato están dispuestos muy próximos entre sí sin espaciamiento entre los mismos, siendo la distancia entre el punto focal del medio de plato (10) y el centro de la superficie reflectante de plato igual o menor que un cuarto del diámetro del medio de plato desde el centro del plato; en donde el medio de plato puede rotar alrededor de un punto focal fijo; - unos miembros estructurales tubulares para soportar dicho medio de plato, comprendiendo dichos miembros estructurales: - dos medios de soporte tubulares (23) dispuestos verticalmente y separados entre sí de tal manera que dicho medio de plato (10) puede moverse en correspondencia con la posición del sol; dichos medios de soporte tubulares (23) son huecos; - otro medio tubular (19) que está sostenido horizontalmente en sus dos extremos por dichos dos medios de soporte tubulares (23); en donde cada uno de dichos medios de soporte tubulares dispuestos verticalmente (23) comprende una pluralidad de medios de tubería (51) dispuestos concéntricamente dentro de dichos medios de soporte tubulares (23), estando dichos medios de tubería conectados en serie con el fin de permitir que el agua caliente pase a través de los medios de soporte tubulares (23) permitiendo la disipación del calor residual y manteniendo la temperatura del aire alrededor de los platos por encima del punto de condensación del agua; y en donde dicho medio tubular exterior horizontal (19) comprende un medio de tubería interior (17), estando dicho medio de tubería interior (17) dispuesto herméticamente dentro de dicho medio tubular horizontal (19) y unido con el medio receptor (12) que está localizado dentro de un medio de cerramiento transparente (11), estando dicho medio receptor (12) protegido dentro de dicho medio de cerramiento (11), por lo que el vacío se mantiene esencialmente en el espacio entre dicho medio receptor (12) y el medio de cerramiento (11), estando dicho medio receptor (12) adaptado para recibir y absorber la luz solar reflejada por dicho medio de plato; en donde dicho medio de tubería interior (17) tiene una disposición de aislamiento de vacío multicapa especialmente diseñada (21) a lo largo y alrededor del espacio de vacío disponible entre la superficie exterior de dicho medio de tubería interior (17) y la superficie interior del medio tubular exterior horizontal (19); en donde dicho medio de tubería interior (17) define un paso para que un gas inerte fluya a través de dicho medio receptor (12), llevando de este modo el calor captado en el medio receptor (12) al medio de tubería interior (17) del siguiente medio de plato (10) del conjunto hasta que dicho gas inerte alcanza la temperatura deseada a la que dicho gas caliente inerte se envía a la unidad de almacenamiento de calor y a los intercambiadores de calor del bucle secundario; en donde dicho medio de plato comprende opcionalmente una pluralidad de partes desmontables flexibles para mejorar la eficiencia de conversión de calor a electricidad y en donde dicho medio de plato es tal que se obtiene una alta relación de concentración de luz solar con pérdidas por reradiación insignificantes para proporcionar una alta eficiencia de conversión de calor a electricidad.

Description

DESCRIPCIÓN

Central solar de alta eficiencia y bajo coste

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema y un aparato de muy bajo coste, pero de alta eficiencia que está diseñado para usar un concentrador parabólico para enfocar la luz solar sobre un receptor que usa un refrigerante para llevar el calor a la unidad de almacenamiento de calor. Un bucle secundario que usa agua como refrigerante extrae calor de la unidad de almacenamiento de calor y se usa para hacer funcionar una turbina para generar electricidad. El calor residual del bucle secundario puede usarse además para hacer funcionar una planta de desalinización o simplemente perderse en el entorno.

Antecedentes de la invención

Actualmente, hay varios sistemas que se han desarrollado o están en desarrollo para convertir la luz solar en electricidad. A continuación, se ofrece una breve descripción de estos sistemas junto con sus ventajas y desventajas con el fin de comprender mejor la energía solar.

1) Cilindro parabólico: este es uno de los primeros sistemas que se desarrolló y sigue siendo uno de los medios favoritos que se aplican en ciertos países. En este sistema, un cilindro parabólico tiene un tubo que atraviesa el punto focal. Este tubo tiene un recubrimiento que absorbe la luz de manera eficiente. Un aceite de alta temperatura pasa a través de este tubo y se calienta por la luz solar concentrada. Este aceite calentado se usa a continuación para calentar agua en un vapor sobrecalentado que se usa para accionar una turbina de vapor que a su vez acciona un generador para producir electricidad. Se usa un sistema de seguimiento solar para seguir la posición del sol y se usa un sistema de motor para hacer rotar todo el plato parabólico y las tuberías asociadas. Las ventajas de este sistema son que un único seguimiento de eje es suficiente para seguir el sol. Tiene una limitación importante que es que la temperatura máxima que puede alcanzarse es bastante baja, ya que las largas tuberías reirradian energía. Dado que la radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, más allá de una cierta temperatura, las tuberías receptoras comienzan a irradiar tanta energía como reciben. Por lo tanto, se ha descubierto que dicho sistema no es lo suficientemente eficiente.

2) Torre de potencia: en este sistema, se usan espejos planos en lugar de parabólicos. El receptor se coloca en la parte superior de una torre central alta y todos los espejos se colocan de tal manera que reflejan la luz solar sobre este receptor de torre central. La ventaja del sistema es que es posible alcanzar temperaturas mucho más altas de lo que es posible en el sistema de cilindro parabólico y, por lo tanto, una eficiencia mucho mayor. Este sistema también tiene la ventaja de tener muchas menos tuberías. Las desventajas son que cada espejo tiene que seguir al sol de una manera específica con el fin de enfocar la luz sobre el receptor en la parte superior de la torre central. La altura de la torre también aumenta con el tamaño de la matriz solar, lo que aumenta el coste. La mayor desventaja es que muchos de los espejos se inclinarían en ángulo durante las horas pico de luz solar y, por lo tanto, no se maximiza la captación de energía durante el tiempo de máxima luz solar. El receptor también tiene una gran área de superficie que reirradia grandes cantidades de energía, lo que limita la temperatura máxima de la operación.

3) Plato parabólico: el diseño actual de los sistemas de plato parabólico consiste en un gran plato parabólico que enfoca la luz solar sobre un motor Stirling que se usa para convertir directamente el calor en electricidad. Este diseño permite temperaturas muy altas y, por lo tanto, eficiencias más altas que el sistema de cilindro parabólico. El problema con los sistemas en los diseños actuales es que terminan siendo muy costosos y tienen muchas partes individuales, lo que requiere un alto mantenimiento.

4) Sistemas fotovoltaicos: estos sistemas convierten directamente la luz en electricidad usando el efecto fotovoltaico. El inconveniente de estos sistemas es el alto coste inicial junto con las bajas eficiencias. Otro problema es el de almacenar electricidad, que es mucho más difícil, caro y contaminante que almacenar calor.

5) El documento WO/2012/128877 describe un recinto, como un invernadero, que encierra un sistema de potencia solar concentrada que tiene concentradores de energía solar de enfoque lineal. Los concentradores de energía solar de enfoque lineal tienen una capa delantera reflectante, una capa central y una capa trasera. Las capas central y trasera, cuando se unen con la capa delantera reflectante, habilitan el concentrador de energía solar de enfoque lineal, en algunas realizaciones, para conservar una forma específica sin elementos de refuerzo adicionales. En algunas realizaciones, la capa central es una capa de nido de abeja. En algunas realizaciones, la capa central y/o la capa trasera se forman retirando material de una sola pieza de material.

6) Otros sistemas: hay otros sistemas diferentes en etapas experimentales que es poco probable que logren mucho éxito por razones técnicas y, por lo tanto, no se expondrán en el presente documento.

El mayor problema al que se enfrenta la humanidad hoy en día es la quema continua de combustibles fósiles para proporcionar energía. Esto ha dado como resultado una situación donde el dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado constantemente a un ritmo exponencial. Esto está provocando un calentamiento global que será muy perjudicial a menos que se detenga de inmediato la quema de combustibles fósiles. En ausencia de una fuente de energía alternativa barata, esto no va a pasar. La única fuente de energía que puede satisfacer todas las necesidades energéticas del planeta es la energía solar. La presente intención no es solo proporcionar una alternativa a la generación de electricidad, sino también garantizar que todos los automóviles y otras máquinas, el calentamiento de los hogares durante el invierno y cualquier otro requisito energético se satisfagan únicamente a través de fuentes renovables, tales como la solar. En resumen, los seres humanos no proporcionarán absolutamente ninguna contaminación más por carbono a este planeta. Solo entonces podremos garantizar que este planeta podrá mantenerse con vida hasta que el sol se convierta en supernova. La única forma de que esto se produzca es con un diseño que sea barato, fácil de producir en masa, de bajo mantenimiento, altamente eficiente, altamente mecanizado, lo que requiere poca intervención humana, y que tenga una vida de central de 30 a 50 años.

La consideración más importante para el éxito o el fracaso de cualquier proyecto es el precio del producto final. No importa cuántos beneficios pueda tener la energía solar sobre los combustibles fósiles u otras tecnologías, hay pocas posibilidades de éxito si el precio de la energía solar es mayor que el de otras fuentes de energía. Es, por lo tanto, imperativo diseñar una central solar que pueda proporcionar potencia no subsidiada a una tarifa que sea más barata o igual a la de cualquier combustible fósil.

Los documentos WO2011130695 y WO2010088632 describen sistemas para la generación de potencia eléctrica y el almacenamiento de calor que comprenden una disposición de medios de plato y un bucle primario conectado a un bucle secundario mediante intercambiadores de calor.

Objeto de la invención

Un objeto básico de la presente invención es superar las desventajas/inconvenientes de la técnica conocida.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema eficiente para la generación de potencia eléctrica y el almacenamiento de calor.

Estas y otras ventajas de la presente invención resultarán fácilmente evidentes a partir de la siguiente descripción detallada leída junto con los dibujos adjuntos.

Sumario de la invención

A continuación, se presenta un sumario simplificado de la invención con el fin de proporcionar una comprensión básica de algunos aspectos de la invención. Este sumario no es una descripción general extensa de la presente invención. No se pretende identificar los elementos clave/críticos de la invención ni delinear el alcance de la invención. Su único fin es presentar algún concepto de la invención de forma simplificada como preludio de una descripción más detallada de la invención que se presenta más adelante.

Un diseño básico de la central se muestra en la figura 1. La sección que contiene el bucle secundario que consiste en una turbina, un generador y una unidad de condensación es la misma que la de cualquier otra central de energía, por ejemplo, nuclear, de gas, de carbón, y, por lo tanto, no se expondrá. Este diseño está completamente centrado en la sección del bucle primario que consiste en la matriz solar y la unidad de almacenamiento de calor. El enfoque básico en el diseño de la matriz solar ha sido seleccionar un diseño que pueda lograr una alta eficiencia, se fabrique fácilmente usando materiales de bajo coste, tenga una larga vida, requiera poco mantenimiento y pueda funcionar durante toda la vida útil de la central con muy poca intervención humana. Dado que las centrales solares siempre se instalarán en desiertos donde el entorno es muy polvoriento y tiene altas velocidades de viento debido al paisaje plano abierto, cualquier diseño exitoso no deberá verse afectado por estas condiciones.

Es igualmente importante diseñar una unidad de almacenamiento de calor eficaz y barata que garantice que la central pueda operar a plena capacidad durante todo el año, independientemente de las condiciones ambientales. En la actualidad, la mayoría de las centrales solares existentes se han diseñado con unidades de almacenamiento que pueden proporcionar solo unas pocas horas de respaldo, lo que no es ni remotamente aceptable. Incluso en un desierto, hay que aceptar que siempre puede haber períodos que pueden extenderse durante varios días en los que la luz solar no estará disponible debido a las nubes, tormentas de polvo o razones técnicas. Dado que la intención es garantizar que todas las formas de requisitos de energía se cumplan solo a través de la energía solar u otros medios renovables, no puede proporcionarse respaldo usando combustibles fósiles. Por lo tanto, cualquier unidad de almacenamiento de calor de la central solar debe ser capaz de proporcionar potencia a plena capacidad incluso en el caso de que no haya luz solar durante un período de varios días o más.

Otro desafío técnico al que se enfrentarán las centrales solares será la gran diferencia de energía disponible en verano en comparación con el invierno. La demanda de energía en invierno puede ser bastante significativa, especialmente en países que padecen inviernos duros. En el caso de que una ciudad esté razonablemente cerca de una central solar (digamos, unos cientos de kilómetros), la energía térmica podría tomarse directamente del calor residual del bucle secundario. La ventaja de esto sería el pequeño desperdicio de energía. Sin embargo, lo más probable es que la mayoría de las ciudades estén mucho más lejos de la central solar y, por lo tanto, tengan que usar electricidad para calentar y cocinar. Teniendo en cuenta que la energía utilizable disponible del sol en invierno puede ser solo un 50 por ciento o menos que la disponible en verano, en aquellas localizaciones que están lejos del ecuador, las únicas opciones disponibles serían construir una sobrecapacidad significativa, o construir una unidad de almacenamiento de calor lo suficientemente grande como para poder cubrir cualquier déficit debido a la deficiencia de luz solar en invierno. Esto no es práctico desde el punto de vista económico. Una solución simple sería construir todas las centrales razonablemente cerca del ecuador, digamos dentro de 40° al norte o al sur del ecuador, y transmitir la electricidad a través de cables de alta tensión a otras regiones.

También es muy probable que la mayoría de las centrales solares estén localizadas lejos de los océanos y tengan muy poco acceso a cualquier tipo de agua. Por lo tanto, la mayoría de las centrales se enfriarán por aire. Aparte del hecho de que las torres de enfriamiento usan grandes cantidades de agua que simplemente no estarán disponibles, también es necesario considerar que una matriz solar de gran tamaño reduciría significativamente las temperaturas en esa área. Es por esta razón que el enfriamiento por aire sería realmente muy beneficioso, ya que la temperatura del aire podría mantenerse en el intervalo deseado. Esto daría como resultado una inversión inicial ligeramente mayor y una eficiencia ligeramente menor, pero, en la mayoría de los casos, puede que no haya elección.

Una consideración final que también es muy importante es que toda la central y la unidad de almacenamiento de calor debe construirse de tal manera que sea altamente respetuosa con el entorno. Dicho de otra forma, debe requerirse un mínimo de energía para fabricar todos los componentes de la central, no deben usarse productos químicos tóxicos y todos los componentes de la central deben ser completamente biodegradables o reutilizables al final de su ciclo de vida. En cualquier momento en el futuro, si la central ya no fuera necesaria, la tierra debe dejarse en las mismas o mejores condiciones que tenía antes de que se construyera la central. Teniendo en cuenta todas las preocupaciones mencionadas anteriormente, se ha diseñado el plan que se describe a continuación.

Por lo tanto, la presente invención se refiere a un sistema para la generación y almacenamiento de potencia eléctrica, generándose dicha potencia a partir de energía solar, comprendiendo dicho sistema:

un bucle primario, comprendiendo dicho bucle primario al menos una matriz solar y al menos una unidad de almacenamiento de calor, estando dicha unidad de almacenamiento de calor adaptada para recibir y almacenar la potencia generada desde dicha matriz solar;

un bucle secundario que se comunica operativamente con dicho bucle primario;

en donde dicha matriz solar comprende una pluralidad de conjuntos de plato reflector que comprenden medios de plato reflector, estando dichos medios de plato dispuestos muy cerca unos de otros, en donde dichos medios de plato son tales que se obtiene una alta relación de concentración de luz solar para proporcionar una alta eficiencia de conversión de calor a electricidad.

De manera adicional, de acuerdo con la presente invención, el sistema también comprende:

una pluralidad de medios de plato, estando cada uno de dichos medios de plato soportado por uno o más miembros estructurales tubulares;

comprendiendo dichos miembros estructurales:

dos medios de soporte tubulares dispuestos sustancialmente en vertical y espaciados entre sí de tal manera que dicho medio de plato puede moverse en correspondencia con la posición del sol;

otro medio tubular que está sostenido sustancialmente en horizontal esencialmente en sus dos extremos por dichos dos medios de soporte tubulares;

en donde dichos medios tubulares exteriores horizontales comprenden dos medios de tubería interiores dispuestos herméticamente dentro de dichos medios tubulares horizontales y unidos con un medio receptor localizado dentro de un medio de cerramiento sustancialmente transparente, estando dicho medio receptor protegido herméticamente dentro de dicho medio de cerramiento y adaptado para recibir y absorber casi toda la luz solar reflejada por dichos medios de plato;

en donde dicho medio de tubería interior tiene una disposición de aislamiento de vacío multicapa especialmente diseñada a lo largo y alrededor del espacio de vacío disponible entre la superficie exterior de dicho medio de tubería interior y la superficie interior del medio tubular exterior horizontal, y

en donde dicho medio de tubería interior define un paso para que un gas inerte fluya a través de dicho medio receptor, llevando de este modo el calor captado en el medio receptor al medio de tubería interior del siguiente medio de plato del conjunto hasta que dicho gas inerte alcance la temperatura deseada a la que dicho gas inerte caliente se envía a la unidad de almacenamiento de calor y a los intercambiadores de calor del bucle secundario.

Un ejemplo que no forma parte de la invención radica en las disposiciones para evitar la formación de polvo en el sistema, comprendiendo dicha disposición:

medios de filtro que rodean dicho conjunto de plato, colocándose dichos medios de filtro sustancialmente en vertical en todos los lados de dichos conjuntos de plato de tal manera que no haya obstrucción a la radiación solar entrante a la vez que son eficaces para atrapar la mayoría de las partículas de polvo y reducir la velocidad del viento casi a cero; y

medios ionizadores de aire colocados en dichos medios de soporte tubulares sustancialmente verticales.

Un ejemplo adicional que no forma parte de la presente invención radica en mecanismos por los que cada uno de dichos mecanismos de limpieza se proporciona en dicho conjunto de plato, comprendiendo dicho mecanismo de limpieza:

uno o más medios de brazo, en donde dichos medios de brazo están provistos de uno o más materiales de limpieza; y

uno o más medios de motor conectados operativamente a dichos medios de brazo para accionar dichos medios de brazo según se requiera.

Un ejemplo adicional que no forma parte de la presente invención radica además en una central que comprende el sistema y el conjunto que se han descrito anteriormente en el presente documento.

Otro ejemplo que no forma parte de la presente invención radica además en una unidad de almacenamiento de calor que comprende:

un primer cuerpo cilíndrico o cualquier otro cuerpo de forma adecuada;

un segundo cuerpo cilíndrico o cualquier otra forma adecuada mayor que dicho primer cuerpo cilíndrico, encerrando dicho segundo cuerpo cilíndrico de manera sustancialmente concéntrica dicho primer cuerpo cilíndrico dejando un espacio predeterminado entre medias;

una pluralidad de medios de tubería, cada uno de los cuales está conectado entre sí por medios de aleta, estando dicha pluralidad de medios de tubería dispuesta dentro de dicho primer cuerpo cilíndrico de manera que forma múltiples segmentos con la ayuda de dichos medios de aleta para alojar medios de almacenamiento de calor.

Otro ejemplo que no forma parte de la presente invención radica en una pequeña unidad de almacenamiento de calor para su uso en el sistema y el conjunto que se han descrito anteriormente en el presente documento.

Otros aspectos, ventajas y características destacadas de la invención serán evidentes para los expertos en la materia a partir de la siguiente descripción detallada, que, junto con los dibujos adjuntos, desvela las realizaciones a modo de ejemplo de la invención.

Puntos importantes de los diseños de matriz solar y almacenamiento de calor.

Hay ciertas características únicas importantes que se mencionan en la siguiente lista que dan una ligera idea del diseño de la central.

1) Se usará un plato parabólico de tamaño relativamente pequeño y se moldeará con matriz, o se formará al vacío a partir de una fina lámina compuesta de metal y acrílico, vidrio, PVC o plásticos.

2) El plato será un espejo de peso extremadamente ligero, preferentemente de menos de 1 kg de peso.

3) Cada plato tendrá forma de plato parabólico y se recubrirá con aluminio o plata.

4) Los espejos delanteros se usarán con un fino recubrimiento protector de dióxido de silicio. Los espejos traseros fabricados de vidrio de otro material también pueden usarse con menor eficiencia.

5) Casi no habrá espacio entre los platos.

6) Cada plato tendrá forma cuadrada siempre que las condiciones lo permitan.

7) 2 motores controlarán la posición de cada plato y todos se controlarán desde un ordenador maestro.

8) El punto más bajo de cualquier plato estará a 1,5-2 m de altura del suelo y no tendrá ningún contacto con el suelo. Este espacio libre se usará con fines de servicio.

9) Incluso si algunos platos no funcionan correctamente, no obstaculizarán el movimiento libre de otros, aunque los platos no tengan espacio entre los mismos.

10) El punto focal de los platos es fijo y nunca se mueve. Los platos se mueven alrededor de este foco fijo y están suspendidos en el aire con varillas de soporte.

11) No hay juntas móviles en el bucle primario.

12) El bucle primario tendrá 2 tuberías. Una tubería interior y una tubería exterior.

13) Las tuberías de acero de 1-2 cm de diámetro formarán la tubería interior del bucle primario.

14) La tubería exterior se usará para soportar la tubería interior y también los platos.

15) El bucle primario usará un refrigerante de gas, tal como helio, que no reaccionará con las paredes interiores del bucle primario, incluso a altas temperaturas, durante toda la vida útil de la central.

16) El espacio entre las tuberías interior y exterior será un vacío.

17) En la totalidad del bucle primario y secundario se usa un aislamiento de radiación térmica altamente reflectante de lámina fina multicapa en el vacío para reducir las pérdidas de calor casi a cero.

18) Todas las juntas se sueldan para un bajo mantenimiento y una larga vida útil.

19) Se hacen provisiones dentro del diseño para permitir la expansión y contracción térmica.

20) Si se produce algún fallo en el bucle primario, el diseño autosellante garantizará que solo una sección muy pequeña del bucle funcione mal y la central continuará funcionando casi a plena capacidad.

21) Son posibles temperaturas muy altas, solo con la limitación de las limitaciones técnicas de los materiales disponibles con las tecnologías actuales.

22) El diseño de la matriz solar garantiza que los platos requieran una limpieza mínima durante toda la vida útil de la central, lo que sería difícil en el diseño actual.

23) En el caso de que un plato requiera una limpieza en húmedo, será reemplazado por otro plato y enviado a una instalación de limpieza en el lugar.

24) Se usarán ionizadores de aire para cargar las partículas de polvo para garantizar que el polvo se elimine del aire y se dirija lejos de la superficie reflectante del plato.

25) Los filtros de aire de tipo similar, pero no limitado a los usados en acondicionadores de aire, se colocarán en posiciones verticales en los cuatro lados de los platos. Estos filtros son baratos, muy eficaces para atrapar el polvo y son muy eficaces para reducir la velocidad del aire, proporcionando de este modo protección contra el viento y el polvo a los platos y los motores de seguimiento.

26) Cualquier partícula de polvo que evada el sistema de eliminación de polvo y se asiente sobre la superficie reflectante del plato se eliminará por un brazo robótico rotatorio equipado con un paño de microfibra y un suministro de aire presurizado.

27) Para aquellas áreas donde la lluvia sea muy frecuente, los platos también podrían encerrarse en una sola carcasa hermética, a prueba de polvo y de agua, que es efectivamente como una "casa de cristal" gigante. Toda la carcasa se fabricará de un material muy barato, transparente, fino, claro, irrompible, y flexible con bajo índice de refracción y alta resistencia a la tracción.

28) La superficie del material protector puede recubrirse con un recubrimiento antirreflectante para mejorar la eficiencia.

29) El interior de la carcasa protectora tendrá una atmósfera libre de polvo, de baja humedad, y controlada para hacer insignificantes los efectos corrosivos.

30) La carcasa protectora también servirá para proteger los platos del viento.

31) La presión dentro de la carcasa protectora puede aumentar o disminuir en caso de velocidades de viento muy altas con el fin de proteger la estructura.

32) La estructura de soporte de las tuberías de bucle primario también sería el soporte de la carcasa protectora.

33) Las máquinas de limpieza automatizadas se moverían continuamente sobre pequeños carriles proporcionados encima de la estructura de soporte para limpiar el exterior de la carcasa protectora.

34) El diseño es tal que puede fabricarse una central de cualquier tamaño que se desee.

35) El refrigerante del bucle primario irá en primer lugar a una unidad de almacenamiento de calor.

36) La unidad de almacenamiento de calor usará una combinación de hierro y arena como medio de almacenamiento de energía.

37) Las tuberías con aletas pasarán a través de la arena, usándose para dar o quitar calor a la arena.

38) La unidad de almacenamiento de calor tendrá la forma de un cilindro o cualquier otra forma adecuada.

39) Los lados del cilindro y la cara superior se aislarán con un aislamiento grueso de alta temperatura.

40) No se aislará la cara inferior del cilindro. La propia arena actuará como aislante.

41) Parte del calor residual de la central se disipará en la matriz solar. Los soportes de tubería verticales para el bucle primario son huecos y están conectados por tuberías en serie y el agua caliente pasará a través de estas tuberías. Pueden usarse aletas para aumentar la pérdida de calor según se desee en estos soportes de tubería. Esto garantizará que la temperatura del aire por encima y por debajo de la matriz solar se mantenga en intervalos aceptables.

Descripción de los dibujos adjuntos

Lo anterior y otros aspectos, características y ventajas de ciertas realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción tomada junto con los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra el diseño esquemático de toda la central de energía.

La figura 2 muestra la estructura de un solo plato junto con la configuración de tubería exterior e interior junto con el aislamiento multicapa y el brazo de limpieza en seco automatizado. También se muestra el receptor de luz concentrada junto con los 2 motores de accionamiento.

La figura 3 es un esquema del diseño interno de la tubería, como se vería si la figura 2 se cortara en dos a través del centro a lo largo de la sección AA mostrada en la figura 2.

La figura 4 muestra cómo se conectarían los platos junto con las estructuras de soporte.

La figura 5 muestra la posición de los filtros colocados verticalmente, diseñados para atrapar y eliminar el polvo y ofrecer protección contra el viento junto con la localización de las agujas de ionizadores de aire.

La figura 6 es una vista aérea de unos cuantos platos con todas las estructuras de soporte excepto los filtros y el brazo robótico (y la carcasa protectora y los carriles de limpieza y mantenimiento en el caso de centrales localizadas en áreas lluviosas).

La figura 7 muestra cómo se montarían la carcasa protectora y los carriles.

La figura 8 es una vista aérea desde una esquina de la central que muestra la matriz de captación solar con carcasa protectora junto con carriles de servicio. Aunque la carcasa protectora es transparente y el mecanismo interior y los platos serían claramente visibles, intencionalmente no se ha demostrado que ofrezcan una mejor perspectiva de cómo se vería la carcasa protectora exterior en forma y apariencia.

La figura 9 muestra cómo se vería la central si alguien viera una pequeña sección desde arriba en un ángulo perpendicular.

La figura 10 muestra una sección de la pantalla térmica usada en el aislamiento al vacío de las tuberías interiores calientes.

La figura 11 es uno de los soportes usados para garantizar que la tubería interior permanezca en su lugar.

La figura 12 es el soporte usado en el lugar donde la pecera de vidrio o plástico se conecta a la tubería exterior. Tiene una válvula de corte bidireccional para garantizar la integridad del vacío en caso de que el vidrio se rompa.

La figura 13 muestra la vista exterior básica de la unidad de almacenamiento de calor.

La figura 14 muestra la vista desde arriba de la unidad de almacenamiento de calor como se ve desde arriba si la parte superior se corta a lo largo de la sección BB, mostrando claramente cómo están localizadas las tuberías, las aletas térmicas y la arena.

La figura 15 muestra nuevamente la sección de corte CC de la unidad de almacenamiento de calor en 3D.

La figura 16 muestra una unidad de almacenamiento de calor que usa un núcleo cilíndrico sólido de hierro como medio de almacenamiento de calor.

Los expertos en la materia apreciarán que los elementos de las figuras están ilustrados por motivos de simplicidad y claridad y pueden no haberse dibujado a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos de la figura pueden exagerarse con respecto a otros elementos para ayudar a mejorar la comprensión de diversas realizaciones a modo de ejemplo de la presente divulgación. A lo largo de los dibujos, cabe señalar que los números de referencia similares se usan para representar los mismos o similares elementos, características y estructuras.

Descripción detallada de la invención

La siguiente descripción con referencia a los dibujos adjuntos se proporciona para ayudar a una comprensión completa de las realizaciones a modo de ejemplo de la invención tal como se define en las reivindicaciones y sus equivalentes. La misma incluye diversos detalles específicos para ayudar en esa comprensión, pero estos deben considerarse simplemente a modo de ejemplo.

Los términos y palabras usados en la siguiente descripción y en las reivindicaciones no se limitan a los significados bibliográficos, sino que, simplemente se usan por el inventor para permitir una comprensión clara y consistente de la invención. Por consiguiente, debería ser evidente para los expertos en la materia que la siguiente descripción de realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención se proporciona únicamente con fines ilustrativos y no con el fin de limitar la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

Debe entenderse que las formas singulares "un" "una" "el" y "la" incluyen referentes en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

Por el término "sustancialmente" se entiende que la característica, parámetro o valor mencionado no necesita alcanzarse exactamente, sino que desviaciones o variaciones, incluyendo, por ejemplo, tolerancias, error de medición, limitaciones de la precisión de la medición y otros factores conocidos por los expertos en la materia, pueden producirse en cantidades que no excluyen el efecto que la característica pretendía proporcionar.

Las características que se describen y/o ilustran con respecto a una realización pueden usarse de la misma manera o de una manera similar en una o más de otras realizaciones y/o en combinación con o en lugar de las características de las otras realizaciones.

Debe enfatizarse que la expresión "comprende/que comprende" cuando se usa en la presente memoria descriptiva se toma para especificar la presencia de características, elementos integrantes, etapas o componentes declarados, pero no excluye la presencia o adición de una o más características, elementos integrantes, etapas, componentes o grupos de los mismos.

El sistema de la presente invención comprende un plato parabólico como se muestra en la figura 2 (las cuatro esquinas 22 no se han mostrado en esta figura, de manera que otros aspectos son más visibles) para obtener una relación de concentración de luz solar muy alta que permitirá la operación a altas temperaturas. La razón de esto es que cuanto mayor es la temperatura operativa, mayor será la eficiencia de conversión de calor a electricidad. El tamaño del plato se mantendrá relativamente pequeño, del orden de 1 a 2 metros de diámetro, de manera que pueda fabricarse fácilmente a partir de una sola lámina fina de metal y una lámina fina de PVC, acrílico, o cualquier otro material adecuado usando procesos como troquelado o conformado al vacío, etc. Después de que se haya dado a las láminas de metal y de polímero de superficie lisa no inflamable la forma parabólica deseada, se unirán entre sí. La parte delantera de este plato de material compuesto se recubrirá a continuación con aluminio o plata y se protegerá con una fina capa de dióxido de silicio. Esto permitirá una alta tasa de producción muy precisa a bajo coste, que es esencial para cualquier central solar. Si la energía solar fuera a usarse en una escala significativa, entonces se necesitarían varios miles de millones de reflectores cada año. Naturalmente, es esencial que se use un proceso sencillo para producir a esa escala. Cabe señalar que, en la presente realización, la invención se ha descrito con un plato parabólico de la dimensión que se ha indicado anteriormente en el presente documento. Sin embargo, tales dimensiones pueden variar en la práctica y de acuerdo con la necesidad/capacidad de la central.

La lámina de plástico y metal compuesta 10 usada en el plato reflector tiene varias ventajas sobre los reflectores a base de vidrio. Será mucho más barata de fabricar y puede hacerse a gran escala fácilmente, no se romperá y será mucho más ligera. Otra ventaja de usar una lámina de metal compuesta en forma de plato parabólico de un tamaño relativamente pequeño es que una lámina de metal muy fina tendrá la resistencia para mantener su forma sin ningún soporte estructural. La lámina de metal proporciona la resistencia y la lámina flexible no inflamable fina proporcionará a la superficie reflectante suave un recubrimiento de aluminio o plata en una cara. Esto da como resultado un plato de peso muy ligero que es esencial para este diseño ya que, como se ve en la figura 2, los motores de accionamiento 13 y 14 tienen una desventaja mecánica significativa.

Los espejos recubiertos delanteros con un recubrimiento protector de una capa muy fina de dióxido de silicio serán la opción preferida (si se desea, también pueden usarse espejos traseros). Hay varias razones muy importantes para ello. Un espejo recubierto delantero tiene una reflectividad mucho mejor que un espejo recubierto trasero, ya que la luz no tendrá que atravesar el material base dos veces. El mejor vidrio transparente tiene una capacidad de transmisión de aproximadamente el 90 %, por lo que se produce una pérdida de eficiencia de aproximadamente un 20 % al usar un espejo de vidrio recubierto trasero. Otra razón importante se debe a la capacidad del polvo de adherirse a diversos materiales. El presente inventor ha observado que un espejo delantero con una película protectora de dióxido de silicio es una superficie en la que el polvo tiene gran dificultad para adherirse. La mayor parte del polvo simplemente cae de la superficie cuando se mantiene en posición vertical y la cantidad restante puede eliminarse fácilmente con aire comprimido a baja presión o un paño de microfibra o un plumero sin rayar el material base. Incluso después de depositar polvo sobre el reflector varios cientos de veces y limpiarlo con un paño de microfibra, no hubo rayaduras significativas de la superficie reflectante. Todos los espejos traseros ya fueran de vidrio, acrílico, plástico o PVC mostraron al menos una afinidad de 10 a 100 veces mayor por el polvo y el polvo fue mucho más difícil de eliminar. Esto puede deberse a cargas estáticas u otras razones, dando como resultado una clara preferencia por los espejos delanteros desde el punto de vista del polvo.

Por lo tanto, un pequeño brazo rotatorio 48 fijado en el centro de cada plato con un paño de microfibra fijado entre la cara inferior del brazo y la superficie reflectante o la provisión de aire presurizado serían suficiente para limpiar las superficies reflectantes automáticamente. El brazo rotatorio 48 podría activarse mediante un motor de accionamiento 49 siempre que se determine que la superficie reflectante necesita limpieza. El uso de este sistema automatizado de limpieza en seco es esencial en un entorno que tiene mucho polvo y sin agua.

En ambientes secos, es fácil quitar el polvo en un espejo delantero con un paño de microfibra, pero cuando se mezcla con lluvia o rocío, el polvo se adhiere a la superficie con mucha mayor adherencia. El agua también dejará marcas de agua en la superficie y esto reducirá la reflectividad de la superficie. Habrá ocasiones en las que los platos 10 puedan requerir un proceso de limpieza en húmedo, tal como después de la lluvia. En esos momentos, los platos 10 a limpiar se retirarán y se reemplazarán por otros y se enviarán a una instalación de limpieza en húmedo en el lugar. Esta instalación reciclará toda el agua de manera que no haya desperdicio de agua.

Esta es una razón importante por la que se ha elegido enfriar por aire el calor residual del condensador (la otra es evidentemente la falta de agua en los desiertos). Si la mayor parte de la energía se extrae del área de la matriz solar, puede surgir una situación donde la temperatura del aire descienda drásticamente. Esto provocaría una condensación de agua significativa en forma de rocío, especialmente por la noche y la madrugada, dando como resultado la necesidad de limpiar en húmedo con mucha frecuencia los reflectores 10. Los costes de mano de obra y materiales serían tan altos que la central sería económicamente inviable. Los soportes verticales con aletas 23 que soportan la matriz solar y las tuberías 19 disiparán todo el calor residual en esta región y garantizarán que la temperatura del aire no descienda hasta el punto donde sea posible la formación de rocío. Estos soportes 23 son huecos y se bombeará agua caliente hacia los mismos a través de la tubería 51 (véase la figura 3) permitiendo la disipación del calor residual y manteniendo la temperatura del aire alrededor de los platos por encima del punto de condensación del agua. Los soportes de tubería 23 y las tuberías 51 se conectarán en serie, de manera que el agua caliente fluya de un soporte 23 a otro y, una vez que la temperatura haya bajado lo suficiente, se devuelva al intercambiador de calor de la central para que se caliente de nuevo.

Una de las principales desventajas de los diseños existentes es que se desperdicia una gran cantidad de terreno, ya que en la mayoría de los casos solo aproximadamente el 25 % o menos del terreno real ocupado por la central está cubierto por los reflectores 10. Puede que esto no sea un problema hoy, pero si la energía solar fuera rentable y se hiciera a gran escala global, entonces existirán problemas evidentes, tales como el coste y la disponibilidad del terreno, etc. Es por eso que el sistema de la presente invención se ha hecho de manera que los platos 10 casi se toquen entre sí (véase la figura 6) cuando el sol está directamente perpendicular a la tierra. Además, los platos parabólicos serán de forma cuadrada y no circular como se muestra en la figura 6, de manera que se capte casi el 100 % de la luz solar. La ventaja evidente de esto es que se capta aproximadamente un 25 % de energía adicional sin prácticamente ninguna inversión inicial adicional. El único coste es el de añadir cuatro "orejas" flexibles 22 a la parábola circular de manera que cubra un área cuadrada. Si fuera deseable, la central también podría usarse sin añadir estas cuatro '"orejas" 22 al plato circular, siendo el único resultado una menor eficiencia. Esto puede ser necesario en ciertos casos donde la temperatura de la región puede bajar drásticamente debido a la eliminación de demasiada luz solar de esa área.

Cada plato tendrá dos motores 13 y 14 que controlarán de manera independiente la localización de los ejes X e Y como se muestra en la figura 3. El motor 13 usará el engranaje 24 para hacer rotar el brazo de soporte 16, mientras que el motor 14 hará rotar el collar cilíndrico 26. La lámina de metal muy fina usada, da como resultado un plato muy barato y ligero de peso. Debido al peso muy ligero de los platos, será suficiente con motores muy pequeños para mover el plato, lo que permitirá el uso de motores baratos incluso aunque los motores tengan una desventaja mecánica. A cada plato 10 se le asignará una coordenada X e Y única, teniendo el primer plato la coordenada 1,1, y la coordenada de todos los demás platos estará determinada por su localización en la cuadrícula X e Y. Cada plato 10 tendrá un circuito de control con un microprocesador que tendrá esa localización única de platos integrada en su memoria. El trabajo del circuito será controlar los motores 13 y 14 de manera que el plato 10 siga al sol y garantice que la luz solar se concentre en el receptor 12 en todo momento. La posición de todos los platos en cualquier momento se controlará por un ordenador maestro central que calculará matemáticamente la posición del sol y también comprobará sus cálculos matemáticos con un sensor de seguimiento solar en todo momento. También puede realizarse un control manual adicional si fuera necesario. Siempre que el ordenador central requiera que algún plato se mueva, se enviarán en primer lugar las coordenadas del plato que se quiere mover seguido de la cantidad que se quiere mover ese plato. El plato solo se moverá si las coordenadas X, Y enviadas por el ordenador coinciden con las almacenadas en la memoria del microprocesador de ese plato específico.

Cada plato se conectará a los motores de accionamiento mediante los brazos de soporte 16, que serán el único soporte que recibirá el plato 10. El punto más bajo de cualquier plato estará a aproximadamente dos metros del suelo (véase la figura 4). Dado que no habrá espacios entre los platos, este espacio será la única manera de proporcionar reparación y mantenimiento para toda la disposición de platos reflectores 10, dispositivos de accionamiento motorizados 13 y 14, y tuberías (miembros estructurales tubulares) 17, 19 y 20 del bucle primario. La función de la tubería 20 (otro miembro estructural tubular) que está sustancialmente en relación perpendicular con el miembro estructural tubular es proporcionar movimiento libre a los platos durante las épocas de invierno cuando el sol estará en ángulo. La longitud de la tubería 20 se hará más larga cuanto más lejos del ecuador se encuentre la central. Dado que los tamaños de central serán muy grandes, posiblemente muchos kilómetros en cualquier dirección, vehículos motorizados alimentados con baterías especialmente equipados usarán este espacio para todos los requisitos de servicio. Cámaras estratégicamente localizadas, sensores de temperatura, sensores de calor, sensores de vibración junto con otros sensores y la retroalimentación de los circuitos individuales de cada plato ayudarán a localizar la fuente de cualquier problema para su atención inmediata.

Con tantos platos en movimiento, siempre existirá la probabilidad de que algunos platos no se muevan o estén en la posición incorrecta por cualquier motivo. Es esencial que estos platos que funcionan mal no obstruyan ni obstaculicen de ninguna manera el libre movimiento de los platos que funcionan correctamente y que los platos casi se toquen entre sí cuando el sol está directamente sobre los mismos, podría provocar un efecto en cascada. Esto incluso podría inutilizar la central la mayor parte del tiempo. Por lo tanto, es esencial que los platos defectuosos no afecten a ningún otro plato. Con el fin de garantizar esto, la distancia desde el punto focal del plato al centro del plato debe ser igual o menor que D/4, donde D es el diámetro del plato. Las cuatro orejas 22 del plato que hacen que el plato tenga forma cuadrada (véase la figura 5) serán flexibles y simplemente se doblarán si entran en contacto con algo.

Como se muestra en la figura 2 y la vista AA en sección transversal en las figuras 3 y 4, los platos rotarán alrededor de un punto focal fijo 12 que nunca se mueve. Una de las principales ventajas de mantener un punto focal fijo 12 es que no se requieren juntas móviles de alta temperatura caras y propensas a fallos. Toda la tubería permanece en una localización fija y los platos 10 son las únicas partes móviles. Toda la luz solar se concentra en un pequeño receptor de cuerpo negro esférico 12 después de pasar a través de una pecera de vidrio o plástico 11. El receptor 12 está rodeado por un vacío con el fin de evitar una pérdida de calor debida a la conducción y la convección. Este pequeño receptor esférico 12 es la única parte de la tubería que lleva el refrigerante de bucle primario que no está protegida por un aislamiento multicapa 21 y es, por lo tanto, el único lugar donde se pierde energía significativa debido a la reradiación. Sin embargo, la pequeña área de superficie del receptor 12 garantiza que la cantidad de energía perdida por la reradiación se mantenga al mínimo. Dado que la cantidad de radiación es proporcional a la cuarta potencia de temperatura, incluso un área pequeña puede irradiar cantidades significativas de energía si la temperatura es lo suficientemente alta. De hecho, es esta pérdida de energía debida a la radiación la que limita notablemente la temperatura operativa máxima que puede alcanzarse en muchos diseños de centrales solares (por ejemplo, tecnología de canal solar, torre de potencia, etc.) donde el área de reradiación es grande. El receptor 12 es esencialmente una esfera de cáscara hueca con un recubrimiento que absorbe todas las longitudes de onda de la luz de manera muy eficiente, en efecto, un cuerpo negro. Está conectado por dos tuberías 17, una entrada y una salida, a través de las que fluirá un gas inerte a alta presión y se llevará el calor captado por el receptor 12.

Las tuberías interiores 17 están conectadas en serie (véase la figura 4), por lo que el gas calentado de un plato será el gas de entrada del siguiente receptor de plato hasta que el gas haya alcanzado la temperatura deseada, momento en el que el gas caliente se envía a la unidad de almacenamiento de calor y los intercambiadores de calor. Después de perder energía y temperatura, este gas más frío se envía de vuelta al bucle primario para recalentarse. La tubería que lleva el gas refrigerante de bucle primario será una única tubería continua con todas las juntas soldadas de manera que haya menos posibilidades de fallos. Esto es muy importante, porque, debido al diseño, será muy difícil acceder a esta tubería si hay algún tipo de fallo, por lo que sería preferible que esta tubería operara durante toda la vida útil de la central sin requerir ningún mantenimiento. Esta tubería interna 17 estará rodeada por una tubería secundaria 19 y el espacio entre las dos tuberías se mantendrá al vacío para reducir la pérdida de calor. La superficie exterior de la tubería de acero inoxidable interior 17 se pulirá mucho para que tenga una superficie similar a un espejo para reducir la radiación y, a continuación, se protegerá con una pantalla multicapa de acero inoxidable con acabado de espejo muy fina altamente pulida 21 (véanse las figuras 2 y 10). El chapado en oro podría usarse en la pantalla multicapa 21 para mejorar la eficacia de la pantalla, pero el alto coste del oro lo hace demasiado caro. Podría lograrse la misma eficacia usando simplemente más capas de acero altamente pulido. El vacío entre las tuberías interiores 17 y las tuberías exteriores 19, y la pantalla multicapa 21, garantizará que la pérdida de calor debida a la radiación de todas las secciones del bucle primario, excepto el pequeño receptor esférico 12, se mantenga casi a cero.

Las curvas en la tubería interior 17 (véase la figura 3) permitirán una expansión térmica en las tuberías que puede ser bastante significativa entre el mediodía (tiempo de máxima radiación solar) y la noche cuando las tuberías 17 podrían estar a temperatura ambiente. Así que habrá que asumir que las tuberías pasarán por un ciclo de temperatura de 700 1000° Kelvin todos los días y que el movimiento libre y la tolerancia de expansión son esenciales para las tuberías interiores 17. Con este amplio intervalo de temperatura, la expansión térmica será de aproximadamente el 2 % para el acero inoxidable y este diseño se adaptará fácilmente a ese movimiento. Los soportes para la tubería interior 17 se proporcionarán principalmente por la pantalla térmica multicapa 21 (véase la figura 10) y también se complementarán con una combinación de alambres finos que conectan las tuberías interiores y exteriores, los discos de soporte 25 (véase la figura 3) del tipo que se muestra en la figura 11 y unos discos muy finos 34 con unas válvulas de corte bidireccionales 33 (véase la figura 12) de metales de baja conducción de calor como el titanio, etc. La combinación y localización exacta de cada tipo de soporte para un rendimiento óptimo se determinará experimentalmente. Los alambres proporcionarán naturalmente la forma más baja de pérdida de calor debido al área de sección transversal baja pero no pueden por sí mismos proporcionar la estabilidad completa a la tubería interior 17 debido a las vibraciones provocadas por el flujo de gas a alta presión en el interior. Los discos perforados 25 proporcionan un mayor soporte y, sin embargo, restringen el flujo de calor debido a la pequeña área de sección transversal y la gran distancia que tendrá que fluir el calor. El tercer tipo de soporte será una lámina muy fina de titanio que básicamente será solo una lámina fina 34 (véase la figura 12) con una pequeña válvula de corte 33 incorporada que conecta las tuberías exteriores e interiores. Solo se colocarán en ciertas localizaciones y, además de ser un soporte, actuarán para sellar cualquier sección que tenga un fallo en el sello de vacío, de manera que otras secciones no se vean afectadas por un problema localizado. Por ejemplo, se colocarían en el lugar donde el vidrio de pecera 11 se conecta a la tubería exterior 20 (figura 3). Por lo tanto, si la pecera 11 se rompiera por cualquier motivo, el sello de vacío en toda esa sección de tubería continuaría operando sin ningún problema. Una cantidad considerable del soporte también se proporcionaría por el diseño de la pantalla térmica única 21 que rodea toda la tubería interior 17. La combinación de todos estos tipos de soportes proporcionará una pérdida de calor de menos de 10 W por metro de longitud de la tubería 17. Suponiendo una radiación entrante de 1000 W/m2, esta pérdida está dentro de los requisitos. Se incurriría en otra pérdida máxima de 5 W por metro de longitud de tubería si se usara un aislamiento multicapa de diez capas. Esta pérdida es solo aproximadamente el 1-2 % de la radiación entrante y es insignificante.

El aislamiento multicapa (MLI) 21 se muestra en la figura 10. Consiste en una lámina muy fina (menos de 0,1 mm de espesor) de material de baja conductividad térmica, tal como el acero inoxidable, que tiene un alto punto de fusión y que se pulirá mucho para obtener un acabado de espejo en ambos lados. El MLI usado en satélites consiste en muchas capas de láminas finas recubiertas de oro y separadas por un material de baja conductividad tejido en forma de velo de novia. Este diseño tendrá problemas en el intervalo de temperatura de 1000° Kelvin, ya que será difícil hacer un velo de novia adecuado y eficaz, y no sería tan fácil de fabricar para una producción a gran escala o no tendría la resistencia estructural para soportar la tubería interior 17, costará más, ya que el chapado en oro de ambos lados lo haría prohibitivamente caro y será más difícil de instalar en la forma requerida.

El aislamiento multicapa como se ilustra en la figura 10 puede construirse además reemplazando pasadores de soporte con una pluralidad de pequeños salientes en forma de hoyuelos 47 que evitarán el combado y el posible contacto entre diferentes capas debido a la deformación. Se espera que la pantalla 21 opere a temperaturas muy altas, calentada y enfriada a diario, y se espera que dure toda la vida útil de la central sin ningún mantenimiento, y, por lo tanto, esta modificación se considera necesaria. Es simplemente una lámina de metal larga muy fina (aproximadamente 0,1 mm o menos), tal como acero inoxidable o cualquier otro metal adecuado con mala conductividad térmica pulida en ambos lados con un acabado de espejo. Después del pulido, la lámina se pasaría a través de un rodillo equipado con un gran número de pasadores afilados de pequeño diámetro separados aproximadamente 1 cm que crearían depresiones en la lámina. Los hoyuelos 47 podrían estar más separados de 1 cm para reducir el área de contacto, pero dado que el sistema de tuberías debe diseñarse para durar al menos de 20 a 30 años, ya que el mantenimiento sería extremadamente difícil y costoso, probablemente se use un espaciamiento de aproximadamente 1 cm. Además, no existen datos sobre cómo progresaría la deformación del metal en un diseño de este tipo, por lo que es mejor ser un poco más cauteloso ya que no se desea una situación en la que las láminas se toquen entre sí debido a la deformación provocada por las muy altas temperaturas. Sin embargo, debido al área de contacto muy pequeña de los hoyuelos 47, la cantidad de pérdida de calor debida a la conducción será de solo unos pocos vatios por metro de longitud. Los pasadores afilados crearán un pequeño hoyuelo (0,25-0,5 mm de profundidad) en la lámina que evitará que las diferentes capas de la lámina se toquen entre sí cuando la lámina se enrolle en una bobina. Si el hoyuelo 47 es menor, digamos 0,25 mm de profundidad, la lámina no se desgarra y el hoyuelo tiene una parte inferior redondeada lisa. Si el hoyuelo se hace un poco más profundo hasta el punto donde la lámina simplemente se desgarra en la parte inferior del hoyuelo, se obtiene una superficie que tiene bordes muy afilados y rugosos 53 (véase la figura 10) que crea un área de contacto extremadamente pequeña cuando la lámina se enrolla en una bobina. Puede usarse cualquier tipo de hoyuelo, pero con el fin de reducir la conducción térmica al mínimo, sería deseable tener el área de contacto más pequeña entre dos capas para minimizar la conducción, por lo tanto, se preferiría el hoyuelo 47 que apenas se desgarra en la punta 53.

Idealmente, cada anillo del MLI 21 no debería tener contacto con el siguiente anillo, pero este diseño logrará casi la misma cantidad de propiedades aislantes siempre que la lámina sea muy fina. Si la lámina tiene menos de 0,1 mm de espesor, la pérdida de calor debida a la conducción puede mantenerse en solo un par de vatios por metro de longitud de la tubería interior 17. Es importante, sin embargo, que no entren dos capas en contacto físico, ya que eso reduciría las propiedades aislantes de la pantalla. La distancia de separación entre dos capas no es importante solo porque no deban entrar en contacto físico. Una distancia de separación de unos pocos micrómetros tendría el mismo efecto aislante que una separación de un metro. Sin embargo, con fines prácticos, se mantendrá una distancia de separación de aproximadamente 0,5 mm con el fin de tener en cuenta el hecho de que las láminas pueden combarse o doblarse durante la vida útil de la central. Tener que reparar o reemplazar cualquier pantalla sería un procedimiento engorroso y costoso que sería altamente indeseable.

Una segunda manera de fabricar la pantalla térmica 21 (véase la figura 10) sería tomar una lámina pulida, crear los hoyuelos 47 y, a continuación, cortar las láminas en tamaños predeterminados de manera que puedan fabricarse cilindros de diámetros crecientes mediante soldadura. Estos cilindros se colocarían a continuación uno dentro de otro hasta formar el número deseado de capas de protección. Los hoyuelos 47 evitarán que las capas individuales de cilindros se toquen entre sí con cualquier área de contacto significativa. Este método de protección tiene propiedades de aislamiento ligeramente mejores ya que se reduce la conducción térmica, pero tiene un coste de producción ligeramente más alto y una velocidad de producción más baja debido a los requisitos de soldadura. El proceso de soldadura también reducirá ligeramente la reflectividad en las juntas de soldadura, por lo que la ventaja neta de este proceso puede ser insignificante.

Cualquiera que sea la técnica que se implemente, esta forma de la pantalla térmica 21 tiene muchas ventajas que son esenciales para el éxito de este diseño. El diseño extremadamente simple y el uso de metales adecuados permite una velocidad de producción extremadamente rápida a un coste muy razonable. En unos pocos milímetros de espacio pueden lograrse las mismas propiedades aislantes que varios metros de aislantes térmicos de alta temperatura convencionales a una fracción muy pequeña del coste. Debido a la forma cilíndrica curvada y las pequeñas depresiones de evitación de contacto 47, la pantalla térmica de la presente invención tiene una resistencia mecánica considerable incluso a temperaturas muy altas y proporciona un soporte considerable a la tubería interior 17 a la vez que la aísla de la tubería exterior 19. En las secciones donde la tubería interior 17 es recta, un solo cilindro largo de pantalla 21 es suficiente. Cuando la tubería interior 17 se curve, la pantalla térmica 21 se aproximará a la curva usando pequeñas secciones cortadas en el ángulo adecuado en los extremos. Estas secciones serán independientes y no estarán soldadas entre sí, permitiendo de este modo que el espacio de la tubería interior 17 se expanda o contraiga con las variaciones de temperatura. Este diseño de pantalla proporciona un excelente soporte a la tubería interior 17 para evitar que se doble o se combe, ya que apenas tiene otro soporte (y necesariamente así) mientras que al mismo tiempo no proporciona resistencia a la expansión o contracción térmica de la tubería interior 17. Dado que la pantalla siempre está en el vacío, no hay ninguna razón por la que no duraría ni siquiera cien años a pesar de condiciones operativas muy hostiles.

Las tuberías exteriores 19 proporcionarán el soporte estructural y la resistencia para todo el bucle primario además de otras funciones importantes. Las tuberías interiores son endebles sin el soporte rígido proporcionado por las tuberías exteriores, y las tuberías exteriores también son necesarias para proporcionar la pantalla de vacío alrededor de las tuberías interiores calientes con el fin de mantener las pérdidas de calor al mínimo. Si no fuera por las excelentes propiedades aislantes de un vacío junto con la pantalla MLI 21, la pérdida de calor habría sido tan alta que el proyecto sería mucho menos viable. Simplemente aumentando el número de capas de la pantalla MLI 21, la pérdida de calor puede reducirse a cualquier cantidad deseable y sin ocupar mucho espacio.

Las tuberías exteriores 19 y 20 también proporcionan todo el soporte a los platos que están suspendidos en el aire solo con el soporte de las tuberías exteriores. Todos los motores, la electrónica y los engranajes motrices también están fijados en la tubería exterior 20. Dos tuberías de soporte verticales 23 fijadas en el suelo a cada lado de los platos 10 son el único soporte proporcionado a la tubería exterior 19. Todas las juntas de las tuberías exteriores también están soldadas para proporcionar una vida útil prolongada sin problemas e integridad de vacío entre las tuberías interiores y exteriores. Las tuberías exteriores operarán en un intervalo de temperatura de solo aproximadamente 50° Kelvin o menos, por lo que la expansión térmica será inferior a 1 mm por metro de longitud para la tubería 19. Sin embargo, todavía se necesita provisión para la expansión y contracción y la proporciona la junta flexible 18 como se muestra en las figuras 2 y 3. Dado que las tuberías exteriores no operarán en condiciones extremas, puede usarse acero suave barato en lugar de acero inoxidable de alta calidad y bajo contenido de carbono.

El diseño anterior es muy susceptible a fuertes vientos debido a la gran desventaja mecánica en la unión del motor. Una solución no deseable a esto sería usar piezas y motores de servicio pesado que podrían aumentar considerablemente el coste. Además, debido a la naturaleza muy polvorienta y ventosa de todos los desiertos, se depositaría una cantidad significativa de polvo en todas las superficies reflectantes. Esto daría como resultado una caída en la eficiencia si no se realizara una limpieza frecuente. Sin embargo, con superficies parabólicas, la limpieza no siempre es fácil y también consumiría mucha agua y requeriría mucha mano de obra, lo que daría como resultado un coste considerable. Además, el polvo y la limpieza frecuentes acortarían considerablemente la vida útil de la superficie reflectante, que es muy delicada y aumenta el coste.

Este problema se soluciona usando una combinación de ionizadores de aire 52 colocados en la parte superior de la columna de soporte 23 y unos filtros de polvo 50 (véase la figura 5) colocados en posiciones verticales sustanciales en los cuatro lados de los platos 10. Los ionizadores de aire 52 cargarán las partículas de polvo de manera que se adhieran a cualquier superficie conectada a tierra o con carga opuesta. El plato 10 también mantendrá una carga suave de la misma polaridad que el polvo, de manera que el polvo se repela de la superficie reflectante. Aunque los ionizadores de aire se han desarrollado para uso en interiores, no hay ninguna razón por la que esta tecnología no pueda usarse también en exteriores. La punta del pasador de descarga de iones 52 se colocará en la parte superior de los pilares de soporte 23 y este espaciamiento regular permitirá una distribución de carga razonablemente uniforme y una cobertura completa de la matriz solar. La potencia requerida por los ionizadores de aire es una fracción muy pequeña de la potencia final emitida desde cada plato, por lo que su uso no afectará en absoluto a la viabilidad de la central.

Los filtros de polvo colocados verticalmente 50 tienen dos funciones. La primera es, evidentemente, atrapar el polvo en el aire y adherirse al mismo. La segunda es evitar que el viento ejerza fuerza alguna sobre el plato de captación solar 10. Los filtros 50 se colocan verticalmente en los cuatro lados de todos los platos en la matriz solar (véase la figura 5). Estos filtros no obstruyen la radiación solar entrante de ninguna manera debido a su posición, sino que son muy eficaces para atrapar la mayoría de las partículas de polvo y reducir la velocidad del viento alrededor de los platos casi a cero, incluso en condiciones de viento atmosférico muy alto. Esto permite una producción de potencia máxima y continua en todas las condiciones. Esto permitirá muchas semanas o meses continuos de operación sin tener que limpiar en húmedo los platos 10, que en este diseño es un proceso costoso y que requiere mucha mano de obra. Si los platos 10 tuvieran que limpiarse a diario, los costes de mano de obra aumentarían enormemente y la central no sería factible con el coste muy bajo y no subsidiado de la electricidad.

Los filtros 50 serán de bajo coste y de un diseño muy simple y algo similar a los que se encuentran en los acondicionadores de aire o cualquier otro tipo similar. El objetivo es tener un filtro 50 que tenga muy poca masa o coste de fabricación y, sin embargo, pueda atrapar las partículas de polvo de manera eficaz y sea lavable. Se mantendrá una carga positiva suave en los filtros 50, de manera que las partículas de polvo que se hayan cargado negativamente con los ionizadores de aire 52 se atraigan fuertemente hacia los filtros 50 y se unan a los mismos. Siempre que los filtros 50 hayan captado suficiente polvo, se retirarán para un proceso de limpieza en húmedo similar al que se someterían los platos 10. Dependiendo de las condiciones, estos filtros 50 deberían poder pasar semanas sin limpiarse.

La tercera defensa contra la suciedad será un pequeño brazo robótico de peso muy ligero 48 (véase la figura 2) que tiene la misma forma de perfil que la superficie reflectante de plato 10 con un paño de microfibra entre este y la superficie reflectante. Un pequeño motor 49 montado debajo del centro del plato 10 haría rotar este brazo una vez al día o según fuera necesario para eliminar el polvo de forma regular. Se probó permitiendo que el polvo se asentara en un espejo delantero con una protección de dióxido de silicio de unos pocos micrómetros de espesor. A continuación, se eliminó el polvo usando un paño de microfibra con muy poca presión aplicada (presionar el paño con más fuerza tiende a rayar la superficie una vez que se ha acumulado algo de polvo en el paño) e incluso después de 100 ciclos de limpieza usando el mismo paño sin lavar, no hubo rayaduras significativas en la superficie. En los espejos traseros, la suciedad se adhiere con mucha mayor fuerza, independientemente de si el material base es vidrio, acrílico o cualquier otro polímero, lo que da como resultado que quede algo de polvo en la superficie. El uso de una mayor presión sobre el paño de microfibra mejoró la limpieza, pero después de algunos ciclos de limpieza, a medida que el polvo se acumula en el paño, comienza a rayar la superficie de manera significativa. Siempre que los platos se envíen para la limpieza en húmedo, el paño de microfibra del brazo robótico 48 también se enviará a lavar.

El brazo robótico 48 también puede ajustarse a una manguera de aire presurizado y eliminar el polvo con presión de aire a medida que rota. Cuando se usa aire presurizado, es necesario que el aire presurizado esté libre de toda humedad, de lo contrario, las gotas de agua ayudarían a que el polvo se adhiriese a la superficie y solo la limpieza en húmedo las eliminará. Siempre que se requiera limpieza, se abrirá una pequeña válvula solenoide permitiendo que el aire presurizado fluya hacia el brazo de limpieza robótico, que, a continuación, saldría del brazo a través de pequeños agujeros a lo largo de todo el brazo. Un pequeño motor 49 haría rotar el brazo 48 de manera que pudiera limpiarse toda la superficie de plato.

La lluvia es un aspecto que va a generar algún problema menor, ya que el polvo perderá su carga y se adherirá a la superficie reflectante. Además, la lluvia también dejará manchas de agua en la superficie reflectante que solo pueden eliminarse correctamente mediante una limpieza en húmedo. Afortunadamente, en la mayoría de los desiertos llueve solo unos pocos días al año, por lo que esto no debería ser un problema mayor, sino una molestia menor.

Otra solución que puede usarse en los casos donde el entorno es simplemente demasiado polvoriento o la lluvia es muy frecuente o los vientos con fuerza de huracán son habituales, es simplemente eliminar el polvo y el viento por completo encerrando todo el bucle primario de la central en lo que efectivamente sería una casa de cristal gigante 29 como se muestra en la figura 8. Esta carcasa protectora se traducirá en una reducción significativa en la eficiencia de la central, pero también tiene algunas ventajas importantes en entornos propensos a la lluvia. Todas las paredes de la casa de "cristal" están fijas y no se mueven en ninguna dirección. Solo que, en lugar de vidrio, el material preferido sería un polímero plástico no inflamable o teflón. El vidrio sería más caro, mucho más grueso y pesado, más propenso a fallos catastróficos y proporciona menos transmisión de luz que otros materiales. Naturalmente, el uso de un recinto transparente daría como resultado una ligera caída en la eficiencia debido a la absorción y reflexión del material de la carcasa. La cantidad de absorción puede ser bastante pequeña para ciertos materiales y, por lo tanto, puede ignorarse. Sin embargo, la cantidad de luz reflejada dependería del ángulo de incidencia de la luz y la reflexión puede ser inaceptablemente alta cuando el ángulo de incidencia es alto.

El ángulo de incidencia de la luz dependería de tres cosas. La primera es la hora del día, la segunda es la localización en el planeta con respecto al ecuador y la tercera es la época del año (invierno o verano). No habría control sobre el primer y tercer factor, pero los problemas provocados por el segundo factor pueden controlarse y eliminarse simplemente garantizando que las centrales estén localizadas lo más cerca posible del ecuador. Desafortunadamente, no hay mucha masa de tierra cerca del ecuador, y la poca que hay, normalmente es una selva tropical. Por lo tanto, la siguiente mejor localización para las centrales sería en los trópicos, donde hay una masa de tierra excesiva en forma de desiertos y donde hay muy buena luz solar durante todo el año. Supongamos que se ha construido una central en el T rópico de Cáncer. Durante el verano, el sol está directamente sobre nuestras cabezas al mediodía y obtendríamos una excelente eficiencia de central. Sin embargo, durante el invierno, debido a la inclinación de la tierra sobre su eje, el mejor ángulo de incidencia al mediodía sería de unos 46° y peor en otros momentos. En general, para la mayoría de los materiales, la cantidad de luz reflejada en función del ángulo de incidencia es inferior al 10 % hasta un ángulo de incidencia de la luz entrante de aproximadamente 60°, que está perfectamente dentro de los valores aceptables y aumenta rápidamente más allá de eso. Por lo tanto, idealmente, cualquier central estaría localizada en el ecuador y la eficiencia de central disminuiría a medida que se aleja al norte o al sur del ecuador. De hecho, más allá de unos 30° del ecuador, la eficiencia se reduciría muy significativamente en invierno y la central no sería eficaz. Este problema podría solucionarse con la cara superior de la carcasa protectora inclinada hacia el sol en lugar de estar horizontal. Sin embargo, la reducción del aislamiento a medida que uno se aleja del ecuador reduce la rentabilidad de las centrales. Afortunadamente, hay más desiertos disponibles cerca de los trópicos. India, África, Oriente Medio, Estados Unidos, Sudamérica, China y Australia están bien localizados en este aspecto. La potencia para el norte de Europa podría proporcionarse fácilmente desde África y Oriente Medio.

Suponiendo entonces que la central está localizada razonablemente cerca del ecuador, aproximadamente el 50 % de la luz solar utilizable recibida en cualquier día se encuentra en un espacio de 3-4 horas cerca del mediodía. En este momento, el ángulo de incidencia es grande y la eficiencia de la central no se ve afectada. En las primeras horas de la mañana y al anochecer, cuando el ángulo de incidencia es muy alto, no hay mucha energía disponible de todos modos, por lo que la pérdida general no es motivo de gran preocupación. En general, el uso de una central cerrada puede dar como resultado una caída general del 15-25 % en la eficiencia general de la central en verano y una caída del 25-40 % en invierno. Esto daría como resultado una pérdida media anual de aproximadamente el 20-30 %. Por supuesto, estas cifras dependerán de la localización con respecto al ecuador y podrían ser más altas más lejos del ecuador. Esta pérdida podría reducirse en aproximadamente un 50 % usando recubrimientos antirreflectantes en la superficie de las láminas protectoras 29. Sin embargo, los costes actuales de los recubrimientos antirreflectantes son bastante altos, ya que se realizan a pequeña escala y, por lo tanto, es posible que no se usen inicialmente. Es muy probable que los costes se reduzcan de manera muy significativa una vez que se usen a una escala tan grande.

Sin embargo, deben tenerse en cuenta los beneficios de la ganancia en eficiencia y el ahorro de costes de usar un recinto protector 29. En primer lugar, los platos siempre estarán libres de polvo y, por lo tanto, esto daría como resultado una mayor eficiencia que aquellas centrales que no están encerradas en una carcasa protectora. Sería difícil dar un valor exacto de la ventaja obtenida debida a los platos libres de polvo, ya que dependería de la frecuencia con la que se limpiasen los platos y el polvo de un entorno específico, entre otras cosas, pero una cifra de ganancia mínima del 10 % en eficiencia parece muy realista. Por supuesto, la carcasa protectora también tendría polvo depositado sobre la misma, pero es mucho más fácil limpiar una superficie continua plana en lugar de una forma parabólica dispersa. La carcasa protectora 29 tendrá unos carriles 30 construidos encima que se usarán por máquinas de limpieza automatizadas no tripuladas, que pasarán continuamente por encima a altas velocidades para garantizar condiciones operativas óptimas. Los soportes para el carril se proporcionarán desde los mismos soportes de pilar vertical 23 en el punto de localización 27 que se usan para proporcionar soporte a las tuberías exteriores 19. Estas máquinas también pueden limpiar durante el día sin afectar a la operación de la central de ninguna manera.

La superficie superior no sería una superficie totalmente plana. Habría una pendiente menor construida en secciones. El punto más bajo de cada sección tendría una tubería de drenaje para permitir drenar el exceso de agua que pudiera quedar como resultado de la lluvia o la limpieza. Aunque no se espere mucha lluvia en los desiertos, el enorme tamaño de las centrales requeriría algún tipo de disposición de eliminación de agua.

La carcasa protectora 29 estará sellada herméticamente por completo y el aire del interior será un entorno controlado prácticamente sin polvo ni humedad. Dado que los platos 10 no tienen que soportar los golpes constantes del viento, pueden usarse materiales mucho más baratos y ligeros para los mecanismos de accionamiento 13 y 14 y las estructuras de soporte. Además, dado que todo el aire dentro de la carcasa protectora estaría totalmente libre de polvo y los niveles de humedad se mantendrían bajos, la vida útil de todos los productos de hierro y acero aumentaría considerablemente ya que se eliminaría el óxido. Sin polvo, no habría necesidad de limpiar la superficie reflectante del espejo, muy delicada y difícil de limpiar, durante toda la vida útil de la central. Todos estos beneficios tendrán un efecto muy significativo en la viabilidad general y los costes iniciales y de funcionamiento de la central.

La inversión inicial de la carcasa protectora 29 será muy baja. Todo lo que se necesita es un borde cuadrado 31 (véase la figura 7) sobre el que se unirán las láminas transparentes 32 para proporcionar un soporte hermético. Cada sección cuadrada de la lámina protectora tomará su soporte en sus cuatro bordes en el punto 27 de los pilares verticales 23 que soportan las tuberías de bucle primario 19. La lámina protectora real 32 de la carcasa será tan fina o más fina que una lámina de papel y, por lo tanto, el coste por metro cuadrado será muy bajo. Los beneficios de la carcasa protectora 29 son mucho mayores que su inversión inicial. La figura 8 muestra cómo se vería una pequeña sección de la central con carcasa protectora si se mirara desde arriba.

La sección final del bucle primario es la unidad de almacenamiento de calor. Es esencial contar con un sistema de almacenamiento que pueda proporcionar varios días de respaldo en caso de parada de la central, nubosidad prolongada o mantenimiento. Unas pocas horas de respaldo simplemente no son aceptables, lo que desafortunadamente es el estándar aceptable en la actualidad. El diseño básico de la unidad de almacenamiento de calor se muestra en las figuras 13, 14, 15 y 16. La figura 13 muestra la vista exterior básica de la unidad de almacenamiento de calor. El gas caliente entra en la unidad de almacenamiento de calor y sale después de depositar parte de su energía en la arena 39 del interior. Se espera que la temperatura dentro de la unidad de almacenamiento de calor varíe entre un máximo de 1000 °K y un mínimo de 800 °K. En la figura 14, la parte superior del almacenamiento de calor se ha cortado a lo largo de la sección BB para mostrar mejor las disposiciones internas. La parte superior de la unidad de almacenamiento de calor que no se muestra es la parte donde las tuberías simplemente se conectan entre sí y las conexiones de las tuberías de entrada y salida al bucle primario. El medio de almacenamiento de calor será arena 39. Existen enormes ventajas en el uso de arena como medio de almacenamiento de calor. La primera, por supuesto, es el coste-beneficio. Con un medio que es prácticamente gratuito, el coste total o la unidad de almacenamiento se mantiene fácilmente dentro de límites aceptables. Dado que la arena es extremadamente estable incluso a temperaturas elevadas, la seguridad se mejora naturalmente. No hay posibilidades de que se produzca una reacción química descontrolada no deseable que pueda ser catastrófica cuando el medio está en gran cantidad y ya se encuentra a 1000° Kelvin. Además, al ser un sólido, la contención es mucho más fácil en caso de cualquier desastre imprevisto. Tampoco hay contaminación ni material tóxico de ningún tipo incluso después de muchos años a temperaturas elevadas.

La capacidad de almacenamiento de calor de la arena puede no ser tan alta como muchos otros materiales con respecto al peso, pero debido a la densidad razonablemente alta de la arena, es bastante respetable al comparar su capacidad calorífica con respecto al volumen. Además, la mayoría de los materiales que tienen una mejor capacidad de almacenamiento de calor volumétrica que la arena sufren un cambio de fase o descomposición térmica mucho antes del requisito de más de 1000 grados Kelvin y pueden, por lo tanto, no usarse. La cantidad de energía almacenada en cualquier material será proporcional a la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía almacenada. Por lo tanto, 1 metro cúbico de arena a 1000° puede almacenar una cantidad considerable de energía (aproximadamente mil millones de julios). Por lo tanto, incluso una pequeña unidad de almacenamiento de, digamos, 100 m x 100 m x 100 m podría almacenar suficiente energía para alimentar una gran ciudad durante un día.

El uso de un polvo sólido como medio de almacenamiento de calor tiene sus ventajas y desventajas, pero cualquiera de tales desventajas se ha usado como ventaja en la presente invención. Cualquier objeto caliente pierde calor solo de la superficie, por lo que es mejor tener una sola unidad de almacenamiento grande en lugar de varias más pequeñas de la misma capacidad total, ya que las pérdidas de calor serían menores. Dicho de otra forma, idealmente, se querría la menor relación posible entre área de superficie y volumen para minimizar las pérdidas de calor. También siempre es mucho más barato construir una única unidad que tener diez unidades más pequeñas de la misma capacidad total que la única unidad. Una gran unidad de almacenamiento de calor deberá estar bien aislada para mantener las pérdidas de energía al mínimo. La mayoría de los aislantes consisten en materiales fibrosos que conducen mal y atrapan el aire en pequeñas bolsas y tienen una densidad muy baja. No son capaces de soportar muchas cargas compresivas. Las paredes laterales y la parte superior se aíslan fácilmente, pero la parte inferior no es tan fácil de aislar debido al gran peso de la arena. Y debido a las altas temperaturas implicadas, cualquier estructura de soporte sería muy costosa de construir. Aquí es donde la mala conductividad térmica de la arena es una ventaja. La unidad de almacenamiento de calor simplemente tendrá un amortiguador grueso de arena 46 en la parte inferior que actuará como aislante. Esto permite construir unidades de almacenamiento de calor de cualquier tamaño, lo que no es posible con los diseños actuales. Además, el coste también sería mucho menor que cualquier diseño existente. En el caso de pequeñas unidades de almacenamiento de calor (digamos algunos miles de metros cúbicos) es necesario aislar los lados con el fin de mantener las pérdidas de calor dentro de límites aceptables. Sin embargo, una vez que la unidad de almacenamiento de calor esté en el intervalo de millones de metros cúbicos o más, no se requiere aislamiento ya que la arena que rodea la unidad de almacenamiento de calor la aislará muy bien.

El diseño básico de la unidad de almacenamiento de calor se muestra en las figuras 13, 14, 15, y 16. Básicamente es solo un cilindro vertical 38 con unas tuberías 37 conectadas entre sí con las aletas 40 en el interior y los espacios vacíos llenos de arena 39. Un segundo cilindro más grande 36 encierra toda la unidad de almacenamiento de calor y el espacio vacío entre los dos cilindros 36 y 38 se llena con un aislamiento de alta temperatura 35. Los pequeños granos de arena en formas extrañas significarán que solo una pequeña fracción del área de superficie real de las aletas 40 estará en contacto con la arena, limitando de este modo la transferencia de calor por conducción. Sin embargo, esto no va a ser un problema debido a la alta temperatura operativa. La ventaja de operar a temperaturas de aproximadamente 1000 °K es que la transferencia de calor debida a la radiación se vuelve muy grande e incluso una diferencia de temperatura de 50 °K da como resultado una transferencia de energía significativa. Otra ventaja del uso de arena es la muy alta emisividad que permite una transferencia eficiente de radiación en ambas direcciones (desde las aletas 40 a la arena 39 durante el día y de la arena 39 a las aletas 40 durante la noche). Sin embargo, la mala conductividad térmica de la arena reduce la velocidad a la que pueden tener lugar las transferencias de energía a través de la arena y esta es la razón por la que las aletas 40 son mucho más grandes de lo que tendrían que ser si la conductividad térmica fuera buena. En este sentido, el grafito sería un medio mucho mejor que la arena, sin embargo, el altísimo coste del grafito lo descarta.

La unidad de almacenamiento de calor no es un recipiente presurizado y operará a presión atmosférica. Esta es una ventaja evidente de usar un sólido como medio de almacenamiento de calor, ya que un recipiente no presurizado puede fabricarse de cualquier tamaño. De hecho, si se desea, también puede mantenerse ligeramente por debajo de la presión atmosférica para compensar la presión que ejercería la arena sobre las paredes exteriores 38 de la unidad de contención de acero. El aire dentro de la unidad de almacenamiento de calor será un gas inerte como argón o helio con el fin de reducir las posibilidades de oxidación de las tuberías de metal 37 y las aletas 40. Los lados y la parte superior del cilindro de almacenamiento de calor se aíslan con una capa gruesa de aislamiento de alta temperatura 35 para mantener las pérdidas de energía al mínimo. Una capa gruesa de amortiguador de arena 46 en la parte inferior ayudará a garantizar pérdidas mínimas de calor desde la cara inferior. La cara exterior 38 del cilindro de almacenamiento de calor se recubrirá de oro para reducir las pérdidas de calor debidas a la radiación. Estará rodeado por tuberías rectangulares verticales selladas en ambos extremos con vacío y aislamiento multicapa dentro de las tuberías. Dado que las tuberías rectangulares se tocarán entre sí, la única pérdida de calor a través de las tuberías se deberá a la conducción en las paredes de tubería.

Sin embargo, puede haber periodos cortos donde los requerimientos de potencia sean muy altos y para esto hay una segunda unidad de almacenamiento de calor más pequeña que está fabricada de un cilindro sólido de acero suave (figura 16). El acero suave tiene una capacidad de almacenamiento de calor razonable, puede operar a temperaturas muy altas, es razonablemente barato y tiene una conductividad térmica mucho mejor que la arena. Por lo tanto, siempre que exista una necesidad repentina de un gran aumento de potencia durante períodos cortos, este núcleo de acero podría proporcionarlo. Es básicamente un bloque sólido de hierro 42 en forma de cilindro o cualquier otra forma adecuada rodeado por un aislamiento de alta temperatura 43 en la parte superior y los lados con canales que lo atraviesan para permitir el flujo de refrigerante 41. El aislamiento inferior se proporciona teniendo una cavidad 44 que está llena de un aislamiento fibroso de alta temperatura. Esta cavidad 44 se presuriza con gas argón de manera que todo el peso de la unidad de almacenamiento de calor de núcleo de hierro se soporte por esta cavidad de gas presurizada. La presión en la cavidad 44 equilibrará exactamente el peso de la unidad de almacenamiento de calor de núcleo de hierro encima de la misma, de manera que flote eficazmente sobre una capa de aire. La curva de semicírculo 45 permitirá movimientos menores debidos a cualquier desequilibrio. Esto proporcionará un excelente aislamiento a muy bajo coste.

Durante el día, el helio caliente de la matriz solar pasa en primer lugar a través de la unidad de almacenamiento de calor y deposita aquí parte de su energía. Después de salir de la unidad de almacenamiento de calor, el helio pasa, a continuación, a un intercambiador de calor donde calienta el agua para las turbinas. A continuación, el helio enfriado regresa a la matriz solar donde se recalienta. Por la noche, una válvula de corte evita que el helio regrese a la matriz solar y se hace circular con el fin de captar energía de la unidad de almacenamiento de calor y transferirla al intercambiador de calor del bucle secundario. Todos los bucles de refrigerante son bucles cerrados y no habrá mezcla de ninguno de los refrigerantes en ninguna etapa.

La descripción anterior de la central solar está destinada a dar las ideas básicas que deben usarse. Debe entenderse que puede haber modificaciones y cambios menores sin alejarse de las ideas básicas descritas anteriormente. La transformación de una idea teórica en una máquina de trabajo práctica siempre requiere algunos ajustes e innovaciones menores.

VENTAJAS

1) Receptor de luz solar concentrada fijo muy pequeño que nunca se mueve.

2) Un receptor solar muy pequeño encerrado en un vacío para proporcionar pérdidas mínimas por reradiación.

3) Refrigerante de helio en el bucle primario para una operación sin corrosión y a altas temperaturas.

4) Platos elevados para dar servicio desde abajo.

5) Platos que casi se tocan para obtener la máxima captación de luz solar por unidad de superficie.

6) Tubería de bucle primario completa encerrada en vacío rodeada por un aislamiento reflectante multicapa especialmente diseñado para garantizar pérdidas de radiación mínimas.

7) Todas las juntas soldadas con posibilidad de expansión y contracción térmica.

8) Plato de espejo delantero de peso ligero de lámina compuesta que usa una lámina fina de material, tal como acrílico, PVC u otro material adecuado con una lámina fina de metal para resistencia estructural al que puede darse la forma requerida fácilmente, lo que permite una producción económica, rápida y a gran escala.

9) Platos parabólicos de forma cuadrada para cubrir el área máxima.

10) Disposición anticolisión diseñada para el movimiento del plato.

11) El sistema de tuberías de refrigerante primario proporciona el único soporte que tienen los platos parabólicos.

12) Si se produce cualquier fallo en el bucle primario, el diseño autosellante garantizará que solo una sección muy pequeña del bucle funcione mal y la central continuará funcionando casi a plena capacidad.

13) Sistema automático de eliminación de polvo para minimizar la deposición de polvo en los platos usando ionización de aire y filtros para capturar el polvo.

14) Lavado automático de platos usando un sistema de limpieza en seco automatizado, lo que ahorra agua y reduce los costes de mano de obra.

15) Protección contra el viento usando filtros de polvo colocados estratégicamente.

16) Sistema de enfriamiento de aire por convección natural para eliminar el calor residual, eliminando de este modo el enorme consumo de agua de todas las centrales de energía.

17) Mantener la temperatura del aire ambiente en el intervalo deseable a pesar de una eliminación de energía significativa.

18) No toda la central necesita agua, lo que permite, por lo tanto, instalar centrales en los desiertos más secos, inhóspitos y remotos.

19) Carcasa hermética transparente cerrada para áreas donde la lluvia es muy frecuente.

20) Sistema de limpieza montado sobre carril para lavar la carcasa protectora.

21) El diseño de la central garantiza que los platos requieran mucha menos limpieza durante toda la vida útil de la central.

22) Unidad de almacenamiento de calor de arena y acero que permite un coste de construcción de almacenamiento de calor muy bajo.

23) Puede construirse una única unidad de almacenamiento de calor de cualquier tamaño y capacidad.

24) Unidad de almacenamiento de calor que puede operar a temperaturas extremadamente altas.

25) Unidad de almacenamiento de calor de núcleo de acero secundaria que puede proporcionar una alta potencia en muy poco tiempo.

26) 24 horas al día, 365 días al año de capacidad de generación de potencia.

27) No es necesario el respaldo de una central de combustible fósil.

28) Almacenamiento de calor suficiente para funcionar durante días en caso de nubosidad continua u otro fenómeno natural incontrolable.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para la generación de potencia eléctrica y el almacenamiento de calor, generándose dicha potencia a partir de energía solar, comprendiendo dicho sistema:

- un bucle primario, comprendiendo dicho bucle primario al menos una matriz solar y al menos una unidad de almacenamiento de calor, estando dicha unidad de almacenamiento de calor adaptada para recibir y almacenar energía térmica procedente de dicha matriz solar;

- un bucle secundario que se comunica operativamente con dicho bucle primario;

en donde dicha al menos una matriz solar comprende una pluralidad de conjuntos de plato reflector, comprendiendo cada conjunto de plato reflector:

- un medio de plato reflector (10) que tiene unas superficies reflectantes y un medio receptor, estando dicho medio receptor (12) localizado en el punto focal fijo de dicho medio de plato reflector, por lo que dichos medios de plato están dispuestos muy próximos entre sí sin espaciamiento entre los mismos, siendo la distancia entre el punto focal del medio de plato (10) y el centro de la superficie reflectante de plato igual o menor que un cuarto del diámetro del medio de plato desde el centro del plato; en donde el medio de plato puede rotar alrededor de un punto focal fijo;

- unos miembros estructurales tubulares para soportar dicho medio de plato, comprendiendo dichos miembros estructurales:

- dos medios de soporte tubulares (23) dispuestos verticalmente y separados entre sí de tal manera que dicho medio de plato (10) puede moverse en correspondencia con la posición del sol; dichos medios de soporte tubulares (23) son huecos;

- otro medio tubular (19) que está sostenido horizontalmente en sus dos extremos por dichos dos medios de soporte tubulares (23);

en donde cada uno de dichos medios de soporte tubulares dispuestos verticalmente (23) comprende una pluralidad de medios de tubería (51) dispuestos concéntricamente dentro de dichos medios de soporte tubulares (23), estando dichos medios de tubería conectados en serie con el fin de permitir que el agua caliente pase a través de los medios de soporte tubulares (23) permitiendo la disipación del calor residual y manteniendo la temperatura del aire alrededor de los platos por encima del punto de condensación del agua; y

en donde dicho medio tubular exterior horizontal (19) comprende un medio de tubería interior (17), estando dicho medio de tubería interior (17) dispuesto herméticamente dentro de dicho medio tubular horizontal (19) y unido con el medio receptor (12) que está localizado dentro de un medio de cerramiento transparente (11), estando dicho medio receptor (12) protegido dentro de dicho medio de cerramiento (11), por lo que el vacío se mantiene esencialmente en el espacio entre dicho medio receptor (12) y el medio de cerramiento (11), estando dicho medio receptor (12) adaptado para recibir y absorber la luz solar reflejada por dicho medio de plato; en donde dicho medio de tubería interior (17) tiene una disposición de aislamiento de vacío multicapa especialmente diseñada (21) a lo largo y alrededor del espacio de vacío disponible entre la superficie exterior de dicho medio de tubería interior (17) y la superficie interior del medio tubular exterior horizontal (19);

en donde dicho medio de tubería interior (17) define un paso para que un gas inerte fluya a través de dicho medio receptor (12), llevando de este modo el calor captado en el medio receptor (12) al medio de tubería interior (17) del siguiente medio de plato (10) del conjunto hasta que dicho gas inerte alcanza la temperatura deseada a la que dicho gas caliente inerte se envía a la unidad de almacenamiento de calor y a los intercambiadores de calor del bucle secundario;

en donde dicho medio de plato comprende opcionalmente una pluralidad de partes desmontables flexibles para mejorar la eficiencia de conversión de calor a electricidad y en donde dicho medio de plato es tal que se obtiene una alta relación de concentración de luz solar con pérdidas por reradiación insignificantes para proporcionar una alta eficiencia de conversión de calor a electricidad.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1,

en donde dicho medio de tubería interior (17) comprende unas curvas angulares para permitir la expansión o la contracción.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho medio de plato es una lámina compuesta que comprende una superficie lisa fina fabricada de polímero u otro material y una lámina de metal de soporte fina para mayor resistencia.

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 3, en donde dicha lámina de superficie lisa comprende un espejo delantero protegido con un fino recubrimiento de dióxido de silicio de unos pocos micrómetros.

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho miembro estructural tubular comprende además un medio de tubería (20) perpendicular a dicho medio tubular exterior horizontal y localizado en el centro de dicho medio tubular exterior horizontal.

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho medio receptor (12) es un cuerpo negro de metal esférico que tiene un diámetro pequeño.

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además una pantalla multicapa (21) para dicha tubería interior (17) en donde la pantalla multicapa proporciona una función de aislamiento térmico para el sistema de tubería interior.

8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho conjunto de plato reflector comprende además uno o más dispositivos de accionamiento de motor (13, 14) localizados en el soporte de tubería vertical (20) por encima del medio receptor (12) y adaptados para controlar el movimiento de dichos medios de plato reflector alrededor de diferentes ejes; y

un circuito controlado por microprocesador adaptado para controlar dichos dispositivos de accionamiento de motor (13, 14) para mover los medios de plato reflector correspondientes a la posición del sol de tal manera que la luz solar esté en el medio receptor (12) durante el máximo período de tiempo.

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho conjunto de plato reflector comprende unos discos de soporte (25) localizados dentro de los medios tubulares exteriores horizontales con el fin de soportar las tuberías interiores (17).

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en donde dicho conjunto de plato reflector comprende además una pluralidad de discos (34) para proporcionar soporte a las tuberías interiores dispuestas en los medios tubulares exteriores horizontales, comprendiendo dichos discos finos (34) unas válvulas de corte de conducción bidireccionales (33) fabricadas con materiales de baja conducción térmica para garantizar la integridad de vacío en el bucle primario en caso de daño a cualquier pequeña sección del bucle primario.

11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha disposición de aislamiento de radiación térmica multicapa (21) comprende una lámina de metal que tiene mala conductividad térmica y buena reflectividad enrollada para formar una bobina que tiene múltiples capas de la lámina de metal, de tal manera que se mantiene un hueco/distancia de separación adecuado entre dos capas.

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en donde dicha lámina fina de metal comprende una pluralidad de salientes en forma de hoyuelos (47).

13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11 que consiste en una serie de cilindros huecos que tienen diámetros diferentes colocados uno dentro de otro fabricados de chapa con salientes en forma de hoyuelos para evitar que los cilindros individuales se toquen.

14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además disposiciones para evitar que el sistema tenga polvo, comprendiendo dicha disposición:

medios de filtro cargados positivamente verticales (50) que rodean dicho conjunto de plato de tal manera que no haya obstrucción a la radiación solar entrante, a la vez que son eficaces para atrapar la mayoría de las partículas de polvo y reducir la velocidad del viento casi a cero; y

medios ionizadores de aire que comprenden una pluralidad de pasadores de descarga de iones, estando dichos medios ionizadores colocados sobre dichos medios de soporte tubulares verticales; en donde los platos reflectores están cargados negativamente para repeler el polvo cargado negativamente.

15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además mecanismos de limpieza en seco, proporcionándose cada uno de dichos mecanismos de limpieza en seco en dicho conjunto de plato, comprendiendo dicho mecanismo de limpieza:

uno o más medios de brazo (48) fijados en el plato y en el mismo perfil que la superficie reflectante de plato, en donde dichos medios de brazo están provistos de uno o más materiales de limpieza; y

uno o más medios de motor (49) conectados operativamente a dichos medios de brazo para accionar dichos medios de brazo según se requiera; y que comprende, opcionalmente, unos medios de manguera de aire, fijándose dichos medios de manguera de aire operativamente a dichos medios de brazo (48) de tal manera que se mantiene una presión de aire controlada durante la rotación de los medios de brazo.

16. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha unidad de almacenamiento de calor está adaptada para operar a presión atmosférica, comprendiendo dicha unidad de almacenamiento de calor:

un primer cuerpo cilíndrico (38);

un segundo cuerpo cilíndrico (36) más grande que dicho primer cuerpo cilíndrico, encerrando dicho segundo cuerpo cilíndrico sustancialmente de manera concéntrica dicho primer cuerpo cilíndrico dejando un espacio predeterminado entre medias;

una pluralidad de medios de tubería de metal (37), cada uno de los cuales está conectado a otro mediante unos medios de aleta (40), estando dicha pluralidad de medios de tubería dispuesta dentro de dicho primer cuerpo cilíndrico (38) de una manera para formar múltiples segmentos con la ayuda de dichos medios de aleta para adecuarse a la transferencia de calor desde o hacia el medio de almacenamiento, siendo dicho medio de almacenamiento arena (39), y

gases inertes similares al argón o el helio con el fin de reducir las posibilidades de oxidación de los medios de tubería.

17. El sistema de acuerdo con la reivindicación 16, en donde dicha unidad de almacenamiento de calor comprende además aislamientos a alta temperatura en el espacio entre dichos cuerpos cilíndricos primero y segundo.

18. El sistema de acuerdo con la reivindicación 16, en donde dicha unidad de almacenamiento de calor comprende además aislamiento en sus lados superior e inferior.

19. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende adicionalmente una segunda unidad de almacenamiento de calor de transferencia de energía de alta velocidad (41, 42, 43, 44, 45) fabricada de un cilindro sólido de hierro/acero suave con canales para permitir el flujo del medio de transferencia de calor, teniendo dicha unidad de almacenamiento de calor una cavidad inferior presurizada llena de aislamiento de alta temperatura fibroso para un aislamiento inferior y un núcleo de hierro/acero para almacenar energía térmica.