ES2989875T3 - Sistema de concentración solar - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de concentración solar (1) e instalación que comprende una pluralidad de colectores solares (10) configurados para recibir, reflejar y concentrar la radiación en un punto focal (F), y permite aumentar la eficiencia de los sistemas de concentración solar actuales, tales como los basados en colectores lineales Fresnel, mediante la reducción de distancias focales y el aumento de la superficie efectiva del sistema. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de concentración solar

Objeto de la invención

La presente invención está dirigida a un sistema y una instalación de concentración solar que comprende una pluralidad de colectores solares configurados para recibir, reflejar y concentrar la radiación en un foco, y que permite incrementar la eficiencia de los sistemas actuales de concentración solar, como los basados en colectores Fresnel lineales, mediante la disminución de las distancias focales y el incremento de la apertura efectiva del sistema.

Antecedentes de la invención

En el campo de la energía solar se conocen varios tipos de colectores solares capaces de concentrar la radiación solar en uno o varios focos, como por ejemplo los colectores cilindro-parabólicos (CCP), y los colectores Fresnel lineales. La tecnología basada en colectores CCP cuenta con un mayor grado de desarrollo industrial en la actualidad. El aprovechamiento de la energía del sol se debe a la geometría precisa de los reflectores y a que el colector y receptor en su conjunto realizan un seguimiento de la posición del sol a lo largo del día. Los colectores Fresnel lineales, a pesar de su menor rendimiento, permiten optimizar la relación entre la inversión realizada y el rendimiento obtenido ya que pueden construirse con reflectores planos, que son sencillos de producir y de mantener, y no precisan de movimiento en el receptor.

Los colectores Fresnel lineales emplean una pluralidad de reflectores, o espejos, dispuestos generalmente en un plano horizontal. Estos reflectores son normalmente planos o con una ligera curvatura, es decir con un radio de curvatura muy grande en comparación con las demás dimensiones del reflector. Por otro lado, los reflectores Fresnel son móviles respecto a la estructura que los soporta, de manera que se puedan orientar según el ángulo de incidencia del Sol en cada momento del día, de manera individual o síncrona. Un ejemplo de este tipo de solución se puede encontrar en la solicitud de patente PCT número WO2012025356 (A1) que describe un colector solar Fresnel con espejos pivotantes. Sin embargo, los colectores Fresnel lineales presentan algunos problemas inherentes de difícil solución.

El documento DE 202007003078 U1 describe un colector de calor de energía solar con un conjunto parabólico de espejos acoplados a un motor que mantiene la orientación al sol formando un sistema óptico dentro de una carcasa. El documento FR 2 501 344 A1 describe un colector de calor solar tubular que tiene espejos reflectantes posicionados automáticamente interconectados para moverse al unísono.

El documento CN 205897579 U describe una estructura de fijación de disipador de calor de colector Fresnel lineal. El documento US 2009 056701 A1 describe un sistema de colector de energía solar, en particular paneles solares con reflector Fresnel lineal, componentes para el sistema y métodos para instalar el sistema.

El documento US 2014 366868 A1 describe un dispositivo solar concentrador de luz, más concretamente un dispositivo concentrador de luz lineal Fresnel con alta potencia multiplicadora.

En una instalación de concentración solar es imprescindible que existan espacios libres entre colectores, también llamados pasillos, para permitir el acceso del personal para tareas de mantenimiento. En un campo solar con CCP se puede captar la mayor parte de la radiación solar incidente sobre la superficie del campo solar para ángulos de incidencia elevados, incluyendo la que incide sobre los pasillos, lo que permite el aprovechamiento de la radiación solar durante un periodo de tiempo prolongado, en particular en las primeras y últimas horas del día. Por su parte, los colectores Fresnel lineales convencionales no pueden captar la radiación incidente sobre la superficie no cubierta por los reflectores, por ejemplo sobre los pasillos, por lo que se tiende a minimizar la superficie no cubierta; en el caso de los pasillos, se tiende a minimizar su anchura para aprovechar el máximo de la radiación incidente sobre la superficie del campo solar.

Otro efecto no deseado en una instalación de concentración solar son las sombras creadas por la interposición de un objeto entre la fuente luminosa (por ejemplo el Sol) y un reflector o un receptor. En el caso de los colectores Fresnel lineales son los propios reflectores los que se interponen y reducen la radiación luminosa, en este caso la radiación solar, aprovechada. Habitualmente este problema se soluciona separando los reflectores, pero de esta forma aumenta la superficie necesaria para la instalación del colector, reduciendo así su rentabilidad. Además, al aumentar la separación entre reflectores aumentan también las distancias focales. Esto hace que los reflectores no sean igual de eficientes para todos los ángulos de incidencia, y que para compensar el efecto de las sombras se deban instalar más reflectores.

Otra particularidad de los colectores Fresnel lineales es que la distancia entre el foco y los reflectores aumenta a medida que los reflectores están más alejados del centro del colector, en donde normalmente se sitúa el receptor.

De esta forma las distancias focales son distintas para cada reflector. En un colector ideal, cada reflector debería tener una curvatura distinta para compensar este fenómeno, pero en la práctica para minimizar los costes se emplean reflectores planos o con una pequeña curvatura que produce una pérdida de eficiencia.

Aunque idealmente los reflectores Fresnel lineales concentran la radiación solar en una línea focal, en la práctica el foco se transforma en una superficie focal. En el caso particular de espejos curvados esta aberración óptica se conoce como astigmatismo. El tamaño de la superficie focal dependerá, entre otros, de los defectos de fabricación y montaje, de la forma del reflector y de la distancia entre el reflector y el foco. Además, a medida que aumenta el ángulo de incidencia de la radiación solar las dimensiones de la superficie focal también aumentarán, especialmente a partir de 30°.

Los problemas citados anteriormente, tales como el astigmatismo, las distancias focales crecientes o la generación de sombras, se agravan a medida que aumenta el ángulo de incidencia del Sol. En general, la eficiencia de un colector Fresnel lineal disminuye a medida que aumenta el ángulo de incidencia (-9) de la radiación solar, incluso cuando el sistema se diseña con reflectores específicos para cada distancia focal.

Una de las pocas soluciones conocidas para los anteriores problemas consiste en utilizarre-concentradores solares,un elemento que comprende una superficie reflectora en forma de doble parábola, configurada para redirigir los rayos que no han incidido hacia el tubo receptor. Estos re-concentradores requieren un curvado especial y muy preciso del substrato, que resulta difícil de garantizar en las condiciones de trabajo. Adicionalmente, los materiales deben resistir de forma sostenida temperaturas altas y mantener una reflectancia elevada. En consecuencia, son complejos y caros, y no consiguen solucionar por completo los anteriores problemas.

Descripción de la invención

La presente invención propone una solución a los problemas anteriores mediante un sistema de concentración solar según la reivindicación 1, y una instalación de concentración solar según la reivindicación 10. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.

Un primer aspecto inventivo proporciona unsistema de concentración solar adaptado para concentrar en una pluralidad de focos la energía procedente de la radiación solar, que comprende una pluralidad de colectores C configurados para recibir, reflejar y concentrar la radiación en un foco, en donde cada colector C¡, con i e{1,...,n}, comprende

■ una pluralidad de m reflectores R, donde cada reflector Rj, con j e{1,...,m}, es plano o con un radio de curvatura grande en comparación con las demás dimensiones del reflector, en donde

-cada reflector Rj comprende al menos un substrato y una o más superficies reflectantes, configuradas para reflejar la energía de la radiación solar,

-cada reflector Rj tiene forma substancialmente rectangular o cuadrada, de dimensiones a, b, con a < b, y donde b corresponde a la dirección longitudinal, y

-cada reflector Rj está configurado para girar alrededor de un eje longitudinal L del reflector Rj, preferiblemente alrededor de su eje de simetría longitudinal;

■ al menos un receptor configurado para recibir la radiación solar concentrada por la pluralidad de reflectores y transportar la energía mediante un fluido térmico; en donde el al menos un receptor está posicionado substancialmente en el foco, y en donde el al menos un receptor comprende

-un conducto, adaptado para la circulación de un fluido térmico, y

-un elemento estructural, adaptado para soportar el conducto y posicionarlo en el foco;

■ una estructura de soporte, configurada para posicionar cada reflector Rj de la pluralidad de reflectores a una altura y a una distancia (hj, dj) dadas para cada reflector Rj respecto del al menos un receptor, y configurada para permitir que cada reflector Rj gire un ángulofarespecto del plano horizontal, en donde el ángulofapermite que el reflector Rj refleje la radiación en el foco;

en donde el sistema está caracterizado porque

la disposición de los reflectores de cada colector Ci es tal que los reflectores están dispuestos a diferentes alturas y los ejes longitudinales Lij en torno a los cuales giran los reflectores Rj están dispuestos en paralelo y contenidos en al menos una superficie cuya tangente en cada eje longitudinal Lij forma un ángulo k j con respecto del plano horizontal, en donde cada ángulo k j verifica que, si9es el ángulo de incidencia de la radiación solar, entonces se cumple que para el periodo de tiempo total anual de irradiación solar comprendido entre el 1% y el 50% del tiempo total

90° > 9 > 90° — A£<j>; í e {1.....nj; j e{1......mj;

y porque

cada colector Ci o bien está separado de un colector contiguoCi±ipor un pasillo libre de obstáculos para la radiación solar, o bien está separado de un obstáculo de una altura comparable al colector por un pasillo, en donde el pasillo tiene una anchura de al menos una distancia D, donde

D >0.

A lo largo de este documento, se entenderá quefoco esel lugar geométrico sobre el que convergen los rayos de radiación solar reflejados por el sistema. Ventajosamente el receptor del sistema se posiciona en el foco para aprovechar la máxima energía posible. Para una sección dada del colector existe un único foco y al ser un colector de tipo lineal, el lugar geométrico de los focos de las infinitas secciones de un colector forma una línea, a la que se denominará línea focal. En aras de la simplicidad, en el presente documento se considerará quefocohace referencia tanto al punto focal de una sección como a la línea focal del colector, según el contexto.

A lo largo de este documento, se considerará que la distancia D que separa un primer colector de un segundo colector contiguo corresponde a la distancia entre los ejes longitudinales de los reflectores dispuestos en los extremos de los colectores.

Se considera que el sistema de concentración solar comprende una pluralidad dencolectores. Para mayor claridad se ha elegidoipara identificar a un colector C cualquiera de un conjunto dende colectores. Cada uno de los colectores está configurado para recibir, reflejar y concentrar la radiación en un foco.

Cada colector comprende una pluralidad demreflectores. En una realización más particular, cada colector comprende al menos tres reflectores. Aún más ventajosamente, los reflectores tienen forma cuadrangular, cuadrada o rectangular. Estos reflectores pueden estar formados por uno o varios elementos reflectantes, que en una realización particular son espejos. A su vez, los espejos están formados por una o más superficies reflectantes y un substrato, como por ejemplo vidrio. Para mayor claridad se ha elegidojpara identificar a un reflector Rj cualquiera de una pluralidad demreflectores pertenecientes a un colector Ci. Análogamente, se identifica a un reflector Ry cualquiera de la pluralidad den * mreflectores del sistema de concentración solar.

En una realización particular, losmreflectores de cada colector Ci tienen un único foco.

A lo largo del presente documento se considerará que la función delreceptores la de recibir la radiación solar reflejada, transmitir la energía solar a un fluido térmico y permitir el movimiento de este fluido. Para permitir el desplazamiento del fluido, el receptor comprende un conducto adecuado para cumplir las anteriores funciones. Como fluido térmico se puede emplear una amplia variedad de fluidos con un elevado calor específico, como por ejemplo un aceite sintético capaz de resistir temperaturas altas. En una realización particular, el fluido térmico es agua.

En una realización particular, cada colector comprende un único receptor.

En otra realización particular, el al menos un receptor comprende una pluralidad de conductos simples adaptados para transportar el fluido térmico; en un ejemplo particular de realización, el sistema de concentración comprende al menos un receptor evacuado. En el presente documento se considerará que unreceptor evacuadocomprende una cámara de vacío entre el conducto por el cual circula el fluido y el medio exterior, en donde la función de esta cámara de vacío es la de minimizar las pérdidas de calor por conducción y convección en el fluido térmico transportado por el conducto.

Elelemento estructuralestá configurado para sostener el receptor en su posición focal, y ventajosamente permite minimizar pérdidas de calor y resistir la acción de los elementos, como por ejemplo del viento. Se considerará que este elemento estructural es de tipo convencional.

Laestructura de soportedel colector está configurada para soportar a los reflectores en una posición dada, resistir la acción de los elementos y permitir su giro alrededor de un eje longitudinal. Se considerará que la estructura de soporte es convencional, y que de forma ventajosa ayuda a reducir las sombras sobre los reflectores.

De acuerdo con la presente invención, los reflectores giran respecto a un eje longitudinal para mantener la condición de reflexión (es decir, que la radiación solar se refleje sobre el receptor siempre que sea posible). Por ello, si se define un ángulo $¡j para cada reflector R¡j respecto al plano horizontal, se deberá cumplir que:

(90° —d) — arctan

En donde (hij,dij)es la altura y la distancia horizontal entre un reflector R¡j y el receptor correspondiente, respectivamente, y O es el ángulo de incidencia de la radiación solar. En el presente documento se entenderá que el ángulo de incidencia de la radiación solar se mide a partir de la perpendicular al plano horizontal, o en otras palabras, el ángulo de incidencia de la radiación solar valdrá O = 0° al mediodía, y O = 90° cuando incida en paralelo al plano horizontal.

Como forma de solucionar los anteriores problemas, la presente invención propone un sistema de concentración solar en el que los reflectores, en lugar de estar contenidos en un único plano horizontal, como la solución Fresnel tradicional, están dispuestos a diferentes alturas, con sus ejes longitudinales dispuestos en paralelo. De acuerdo con esta invención, los ejes longitudinales de los reflectores definen una superficie, que satisface la condición de que el ángulo (Ay) que forma una recta tangente a la superficie en cada eje longitudinal Lj con el plano horizontal debe cumplir, durante un periodo de tiempo determinado:

d > 90° - Xtj

O en otras palabras, que durante un periodo de tiempo dado, la radiación solar incide entre la recta tangente en un eje longitudinal y el plano horizontal. Para evitar que los propios reflectores creen sombras sobre el resto de reflectores, la anterior condición se debe cumplir para el mínimo ángulo Aj de losn * mángulos A. En la práctica esta condición se cumple durante las primeras y las últimas horas del día. La duración exacta del periodo dependerá tanto de la latitud como de la fecha, siendo función del azimut y la elevación del Sol.

De acuerdo con la presente invención, el sistema comprende un espacio sin obstáculos que produzcan sombras entre dos colectores contiguos. A lo largo de este documento, este espacio también se denominarápasillo,y permite el acceso del personal para tareas de construcción, operación y mantenimiento. Además, el pasillo permite la incidencia de la radiación solar sobre los reflectores para ángulos O elevados, en particular cuando se cumple la condiciónd > 90° — AlJ, debido a la ausencia de obstáculos.

En este documento se considerará queapertura superior(A<s>) se define como la anchura máxima entre los extremos de un colector medida en paralelo a un plano horizontal. Este valor se utiliza para calcular la energía reflejada por un concentrador Fresnel lineal convencional en una hora dada (siendo proporcional al coseno de O), y que permite establecer un valor de referencia para comparar la eficiencia de la presente invención. Así pues, para el cálculo de la eficiencia del sistema se debe sumar a la apertura superior (convencional)una apertura que se denominará apertura lateral y se define más adelante. En el presente documento se deberá entender que aunque se haga referencia a magnitudes lineales (p.ej.: distancia, anchura, etc.), estas magnitudes en realidad corresponden a superficies expresadas en términos de anchuras por unidad de longitud del colector.

La disposición de los reflectores a distinto nivel junto con la existencia de un pasillo entre colectores contiguos permite un mejor aprovechamiento de la radiación solar en ángulos de incidencia altos; considerando que un pasillo mide una distancia D, entonces la distancia que permite el acceso de la radiación solar a través del lateral del colector se denominaapertura lateral(A<l>) de un colector.

También ventajosamente se denomina apertura total efectiva, Aje, a la suma de las aperturas lateral y superior. En una realización particular,si se define un plano oblicuo que contenga al menos a los ejes longitudinales de dos reflectores de un colector C, dicho plano forma con el plano horizontal un ángulo a, y se verifica que para el periodo de tiempo total anual de irradiación solar comprendido entre el 1% y el 50% del tiempo total

90° > d > 90 ° - Sí -, ie {1.....n}.

De forma ventajosa, el sistema de concentración solar permite reflejar la radiación que reciben los reflectores a través de la apertura superior A<s>, definida como la anchura máxima entre los extremos de un colector medida en paralelo a un plano horizontal, y a través de la apertura lateral A<l>, definida como:

t B •sin £¡ \

A, = D •sin( arctan—— ---------I ;i e{1,...,n}.

LVD B • cos Et) ;1 J

siendo B la distancia entre los ejes longitudinales que definen el plano oblicuo que forma un ángulo e<¡>con el plano horizontal. Ventajosamente, de acuerdo con esta invención, el ángulo<s¡>que forma el plano que contiene al menos a los ejes longitudinales de dos reflectores con el plano horizontal debe cumplir, durante un periodo de tiempo determinado:

6 > 90° - st

O en otras palabras, que durante un periodo de tiempo dado, la radiación solar incide entre el plano que contiene a los ejes longitudinales y el plano horizontal. Ventajosamente, de acuerdo con esta invención, el pasillo permite la incidencia de la radiación solar sobre los reflectores para ángulos O elevados, en particular cuando se cumple la condiciónd >90° - g¡, debido a la ausencia de obstáculos.

En una realización particular,los al menos dos ejes longitudinales contenidos en el plano oblicuo corresponden al menos a dos reflectores situados a mayor altura y a menor altura del colector.En otra realización particular, los al menos dos ejes longitudinales contenidos en el plano oblicuo corresponden al menos a dos reflectores situados en los extremos del colector.

En una realización particular,los reflectores están alineados substancialmente según una orientación geográfica Norte-Sur.

Ventajosamente, la disposición de los reflectores según una orientación Norte-Sur permite a los reflectores seguir el movimiento del Sol a lo largo del día mediante un movimiento de rotación según un eje longitudinal, y reflejar la radiación solar sobre un receptor durante la mayor parte del día. Se entenderá además que la orientación Norte-Sur de los reflectores permite una cierta variación de la orientación.

En una realización particular,cada reflectorRyde la pluralidad de n * m reflectores está dispuesto a una distancia al “al menos un receptor" definida como

Jv+v

en donde la relación entre las distancias al al menos un receptor de dos reflectores cualesquiera de la pluralidad de n * m reflectores es igual a un valor comprendido entre 0,7 y 1,3.

En una realización particular, las distancias

Jv+v

entre cada reflector R¡j de la pluralidad de n * m reflectores al al menos un receptor son substancialmente iguales y además coinciden substancialmente con las distancias focales de los reflectores.

Ventajosamente, posicionar los reflectores de manera que tengan distancias muy parecidas al receptor y que éstas se aproximen con la distancia focal del colector permite reducir el astigmatismo del reflector y aumentar la eficiencia del sistema de concentración. Al mismo tiempo la posición de los reflectores permite reducir en parte las aberraciones también para ángulos de incidencia O elevados.

En una realización particular,la anchura D del pasillo mide substancialmente entre 1 y 3 metros.

En otra realización particular,la anchura D del pasillo cumple que

Ventajosamente, un sistema de concentración como el descrito permite un mejor aprovechamiento de la superficie y de la radiación solar que un colector convencional con el mismo ancho de colector.

De forma aún más ventajosa, para una anchura de pasillo igual a la mitad de la apertura superior del colector se verifica que el incremento de la eficiencia del sistema es máximo, para un mínimo aumento del coste de la instalación.

En una realización particular, el sistema de concentración solarcomprende además al menos un dispositivo de accionamiento para variar los ángulos j>ij del reflector Rj en el que el movimiento de cada reflector Rj puede ser o bien individual o bien síncrono respecto a los demás reflectores.

Para aprovechar la mayor cantidad de energía, los reflectores deben cambiar su posición continuamente a lo largo del día siguiendo al Sol. Para ello, el o los dispositivos de accionamiento, o actuadores, hacen girar los reflectores de forma que se cumpla la condición de reflexión. Como el ángulo ^j depende de la posición del reflector Rj respecto del receptor, preferiblemente el movimiento debe ser individual. Ventajosamente, el rendimiento de cada reflector puede maximizarse mediante un ajuste individual de su correspondiente ángulo ^j.

Sin embargo, la incorporación de un actuador por cada reflector puede ser impracticable. Como forma de reducir el coste de la instalación se puede instalar un único actuador por colector, que mediante un mecanismo produzca el giro requerido en cada reflector.

En otra realización,el al menos un receptor comprende un conducto del tipo tubo de vacío, o comprende una pluralidad de conductos simples.

Los conductos evacuados o tubos de vacío se aplican extensamente en colectores cilindro-parabólicos y se considera que tienen un rendimiento alto. Por eso, de forma ventajosa los receptores incorporan este tipo de conducto para obtener un elevado rendimiento. De forma alternativa se puede emplear una pluralidad de conductos simples, de menores prestaciones pero con un coste menor.

En otra realización particular,cada ángulo Aij cumple la condición:

¿11 = ¿12 = - =¿nm = ¿ ; í e {1,...,n}; ; e {1,...,m}.

De esta forma los ejes de los reflectores quedan alineados según un plano oblicuo. Ventajosamente, la disposición de los colectores según un plano oblicuo con un ángulo determinado respecto al horizonte simplifica la construcción de la estructura de soporte, que puede construirse a partir de vigas rectas convencionales.

En aún otra realización particular,se cumple la condición:

A =24°.

Ventajosamente, para una instalación con unas dimensiones convencionales, el ángulo de 24° permite por un lado un acceso fácil a los receptores situados en los extremos del colector, y por otro un aprovechamiento elevado de la apertura lateral del concentrador.

En otra realización particular se cumple que

A = ei =24°.

En otra realizaciónla pluralidad de n reflectores de cada colector Ci está agrupada en dos secciones, dispuestas simétricamente a cada lado del al menos un receptor.

Según esta realización, los reflectores quedan situados a ambos lados del receptor, de forma preferente ordenados simétricamente, de forma que, a medida que la radiación solar cambia su ángulo de incidencia a lo largo del día, siempre hay una sección de los reflectores que recibe un máximo de radiación solar. De forma ventajosa, la disposición descrita permite disponer los reflectores de manera que la relación entre las distancias al receptor de dos reflectores cualesquiera es igual a un valor comprendido entre 0,7 y 1,3. Ventajosamente, la disposición descrita permite disponer los reflectores de manera que estén substancialmente a la misma distancia del receptor, preferiblemente a su distancia focal.

En otra realización particular,la superficie en la que están contenidos los ejes longitudinales en torno a los cuales giran los reflectores es una superficie cuádrica, en particular un cilindro circular, un cilindro hiperbólico, un cilindro parabólico o un cilíndrico elíptico, o secciones de los anteriores.

Ventajosamente, la disposición de los reflectores según una superficie cuádrica, en particular disponiendo los reflectores simétricamente a ambos lados del receptor según una superficie de medio cilindro hiperbólico, permite aproximar su comportamiento del colector al de un colector cilindro-parabólico convencional.

En una realización particular, la superficie en la que están contenidos los ejes longitudinales en torno a los cuales giran los reflectores es un plano partido, que comprende dos ramas o brazos simétricos y oblicuos al plano horizontal.

Ventajosamente, durante el periodo de tiempo total anual de irradiación solar comprendido entre el 1% y el 50% del tiempo total la radiación solar incide sobre el colector entre uno de los planos formados por una de las ramas o brazos del colector y el plano horizontal.

En un segundo aspecto inventivo, la invención proporcionauna instalación de concentración solar que comprende un sistema de concentración solar según el primer aspecto inventivo.De forma ventajosa la instalación comprende los elementos necesarios para aprovechar o transformar la energía térmica del fluido en otra forma de energía por ejemplo eléctrica, según corresponda.

Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.

Descripción de los dibujos

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.

Figura 1 En esta figura se muestra un sistema con dos colectores separados por un pasillo, vistos de frente.

Figura 2 En esta figura se muestra en perspectiva un sistema con dos colectores separados por un pasillo.

Figura3 En esta figura se muestran las relaciones geométricas entre el ángulo de incidencia de la radiación solar, la posición de los reflectores, etc.

Figuras 4a-4b En estas figuras se muestra la definición geométrica de la apertura lateral para dos realizaciones del sistema.

Exposición detallada de la invención

La presente invención permite una mejora de los sistemas de concentración solar respecto a los sistemas convencionales de concentración Fresnel lineales, y con un coste inferior al de los sistemas de concentración basados en concentradores cilindro-parabólicos.

Ejemplo de realización

En un ejemplo concreto de realización, el sistema de concentración (1) está situado cerca de la ciudad de Sevilla, a la que corresponde una latitud de 37° 26' 38” Norte, y de forma simplificada se considerará que el sistema de concentración (1) comprende sólo dos colectores (10), con un pasillo (14) entre ellos según se muestra en la figura 2. De forma ventajosa, ambos colectores (10) están dispuestos en paralelo y orientados según un eje Norte-Sur, para aprovechar la mayor cantidad de energía posible. Cada colector (10) comprende un juego de doce reflectores (12) con una curvatura pequeña, de entre 6000 y 8000 mm de radio, dispuestos siguiendo un plano quebrado simétrico, lo que equivaldría a una disposición en V de los reflectores (12); en algunas figuras se muestra sólo una parte de los reflectores por sencillez. De esta forma, los reflectores (12) quedarían divididos en dos brazos o ramas en cada colector (10); si se numeran los reflectores de izquierda a derecha mirándolos desde el Sur, la primera rama o rama izquierda comprendería los reflectores 1 a 6, y la segunda rama o rama derecha, los reflectores 7 a 12, en cada colector (10). Esta disposición resulta especialmente ventajosa por su simplicidad, ya que la estructura de soporte (13) puede ser construida mediante vigas o perfiles rectos unidos de forma convencional. De esta forma se cumple que la relación entre las distancias al receptor (11) de dos reflectores (12) cualesquiera es igual a un valor comprendido entre 0,7 y 1,3, reduciendo las distorsiones al menos en parte.

Como muestra la figura 1, cada colector (10) comprende un receptor (11) lineal de aproximadamente 4 m de longitud, formado por un conducto (11.1) con cámara de vacío, o tubo evacuado, para el transporte del fluido térmico, que en este ejemplo es agua sobrecalentada. El receptor (11) está soportado mediante un elemento estructural (11.2), una estructura sencilla unida a la estructura de soporte (13) y que mantiene el receptor (11) en una posición elevada coincidente con el foco (F) del colector (10).

En este ejemplo de realización, mostrado en las figuras 1 y 3, cada reflector (12) está formado por tres espejos planos de 1320 mm de largo(b)por 529 mm de ancho(a)dispuestos uno a continuación del otro en paralelo al receptor (11) lineal, y está montado sobre un bastidor capaz de girar alrededor un eje longitudinal (12.3) de los espejos un ángulo respecto del plano horizontal; en este ejemplo el eje longitudinal (12.3) coincide con del eje de simetría de los espejos.

En cada colector (10) los doce reflectores (12) se agrupan en dos secciones de seis reflectores (12), con cada sección dispuesta a un lado del receptor (11). Los reflectores (12) de una de las secciones se disponen con sus ejes longitudinales (12.3) en paralelo, y con sus ejes longitudinales (12.3) contenidos en un plano oblicuo al plano horizontal. En este ejemplo el plano que contiene los ejes longitudinales (12.3) de los reflectores (12) forma un ángulo A = 24° con el plano horizontal. De manera correspondiente, los ángulos £<1>, £<2>, de cada uno de los dos colectores son iguales a A.

Con un ángulo A = 24° se logra además que los reflectores de los extremos, los que están a mayor altura, sean accesibles para un operario con relativa facilidad, puesto que queda a aproximadamente 1,25 m del nivel inferior. Este ángulo depende de la latitud de Sevilla y corresponde al valor para el cual el ángulo de incidencia del Sol (-9) cumple que

90° > $ > 90° — A£j ; í £ {1.....nj; j£ {1......mj;

para un tercio (^ ) del tiempo en el cual hay radiación solar, o lo que es equivalente durante un tercio (^ ) de las horas diurnas. Esta relación equivale a que durante el 33,33% de las horas diurnas del año la radiación solar incida por debajo del plano que contiene los ejes longitudinales (12.3) de los reflectores (12), o alternativamente, que el ángulo de incidencia del Sol sea O > 66°, que correspondería a las primeras y a las últimas horas del día.

De esta forma, tomando una hora del día en el que O = 70° (ver figuras 3 y 4) se cumple la condición de apertura lateral, y para el reflector R<112>(es decir, el último reflector del primer colector:i= 1 j = 12) siendo su altura y su distancia al receptor hn<2>= 2042 mm; dn<2>= 2787 mm:

Que es el ángulo que cumple la condición de reflexión en el modo de apertura lateral. El parámetro B en este caso mide B = 2701 mm. En este caso, el colector tiene un ancho de 6024 mm, y su apertura superior es:

As= 6024mm

con lo que el ancho del pasillo D mide:

6024mm

D= = 3012mm

B •sin £1 2701 mm-sin24° '

A=D •sin IVarctanD+ cos £í= 3012mm• sin ( arctan

3012mm+ 2701mm• cos 24°

Al= 592,1mm

Ensayos

De acuerdo con lo discutido, el ejemplo de realización anteriormente descrito permite una mejora del rendimiento óptico del 29,2% para el caso de un concentrador aislado, y de un 13,3% para el caso de un colector rodeado de pasillos de 3 m (D = 3 m), según el sistema de concentración solar descrito, para periodos de tiempo en los cuales el ángulo de elevación del sol está por debajo de 24°, frente a un sistema de concentración de acuerdo con la práctica habitual en el campo de la técnica.

En el contexto de la presente invención, se entiende como rendimiento óptico la relación entre la radiación que alcanza el receptor y la radiación disponible.

Para llegar a estas conclusiones, se efectuó una simulación computacional del cálculo del rendimiento óptico para un colector como el descrito anteriormente (A = 24°), situado en la misma latitud que Sevilla, que comprende un colector de 28 m de longitud y 175,8 m2 de superficie reflectante, en tres casos particulares: un colector sin apertura lateral (equivalente a un colector sin pasillo), un colector aislado y un colector con pasillos de 3 m a ambos lados. El cálculo computacional se realizó mediante el programaTonatiuh,un programa, de código abierto, e impulsado por el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER); la versión 2.2.4 del programa está disponible en el enlace: http://iat-cener.github.io/tonatiuh/. El programaTonatiuhpermite la simulación óptico-energética de sistemas solares de concentración. Combina el trazado de rayos con el método de Monte Carlo para simular el comportamiento óptico de una gran variedad de sistemas.

Además de los valores de diseño expuestos más arriba, se consideraron los siguientes parámetros de cálculo:

De acuerdo con los anteriores valores, el programaTonatiuhproporcionó 171 resultados de rendimiento óptico para cada caso, mostrados en las siguientes tres tablas. Las celdas resaltadas muestran los valores físicamente posibles para la latitud indicada (Sevilla).

Tabla 1. Rendimientos ópticos para el caso sin pasillo (D = 0; caso de referencia):

Tabla 2 - Rendimientos ópticos para el caso de colector aislado (D ^ ~):

Tabla 3 - Rendimientos ópticos para el caso con pasillo de 3 m (D = 3 m; ejemplo de realización):

Conclusiones

Para los casos correspondientes a las tablas 2 y 3, considerando únicamente la suma de los rendimientos físicamente posibles para la latitud indicada, se compararon las sumas de rendimientos ópticos frente al caso de referencia, es decir, el caso sin pasillo (D = 0 m), y se obtuvo que:

- Para el caso de un colector aislado (Tabla 2), el rendimiento óptico mejora un 29,2%.

- Para el caso de un sistema de concentración con pasillos de 3 m (Tabla 3), el rendimiento óptico mejora un 13,3%.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES 1.- Una disposición de sistema (1) de concentración solar adaptado para concentrar en una pluralidad de focos (F) la energía procedente de la radiación solar, que comprende una pluralidad de colectores C (10) configurados para recibir, reflejar y concentrar la radiación en un foco (F), en donde cada colector Ci (10), coni e{1 ,...,n},comprende ■ una pluralidad demreflectores R (12), donde cada reflector Rj, conj e{1,...,m},es plano o con un radio de curvatura grande en comparación con las demás dimensiones del reflector (12), en donde - cada reflector Rj (12) comprende al menos un substrato (12.1) y una o más superficies reflectantes (12.2), configuradas para reflejar la energía de la radiación solar, - cada reflector Rj (12) tiene forma substancialmente rectangular o cuadrada, de dimensionesa, b,cona < b,y dondebcorresponde a la dirección longitudinal, y - cada reflector Rj (12) está configurado para girar alrededor de un eje longitudinal L (12.3) del reflector Rj (12), preferiblemente alrededor de su eje de simetría longitudinal; ■ al menos un receptor (11) configurado para recibir la radiación solar concentrada por la pluralidad de reflectores (12) y transportar la energía mediante un fluido térmico; en donde el al menos un receptor (11) está posicionado substancialmente en un foco (F), y en donde el al menos un receptor (11) comprende - un conducto (11.1), adaptado para la circulación de un fluido térmico, y - un elemento estructural (11.2), adaptado para soportar el conducto (11.1) y posicionarlo en el foco (F); ■ una estructura de soporte (13), configurada para posicionar cada reflector Rj (12) de la pluralidad de reflectores (12) a una altura y a una distancia(hj, dj)dadas para cada reflector Rj (12) respecto del al menos un receptor (11), y configurada para permitir que cada reflector Rj (12) gire un ángulo $j respecto del plano horizontal, en donde el ángulo $j permite que el reflector Rj (12) refleje la radiación en el foco (F); en donde: la disposición de los reflectores (12) de cada colector Ci (10) es tal que los reflectores están dispuestos a alturas diferentes y los ejes longitudinales Ly (12.3) en torno a los cuales giran los reflectores Ry (12) están dispuestos en paralelo y contenidos en al menos una superficie, en donde la pluralidad demreflectores (12) de cada colector Ci (10) está agrupada en dos secciones dispuestas simétricamente a cada lado del al menos un receptor (11), caracterizada porque: la tangente de dicha superficie forma en cada eje longitudinal Lij (12.3) un ángulo A¡| con respecto del plano horizontal, en donde cada ángulo Aij verifica que, si O es el ángulo de incidencia de la radiación solar, entonces se cumple que para el periodo de tiempo total anual de irradiación solar comprendido entre el 1% y el 50% del tiempo total 90° >d >90°- A y; i e { 1 , n}; j e{ 1, m); y cada colector Ci (10) o bien está separado de un colector contiguo C<^ 1>por un pasillo (14) libre de obstáculos para la radiación solar durante el tiempo para el que se cumple la ecuación anterior, o bien está separado de un obstáculo de una altura comparable al colector por un pasillo (14) libre de obstáculos para la radiación solar durante el tiempo para el que se cumple la ecuación anterior, en donde el pasillo (14) tiene una anchura de al menos una distancia D, medida en el punto más estrecho entre los colectores (10), donde D >0.
2. 2. La disposición de sistema (1) de concentración solar según la reivindicación anterior, caracterizada porque si se define un plano oblicuo que contenga al menos a los ejes longitudinales (12.3) de dos reflectores (12) de un colector Ci (10), dicho plano forma con el plano horizontal un ángulo e¡, y se verifica que para el periodo de tiempo total anual de irradiación solar comprendido entre el 1% y el 50% del tiempo total 90° > d > 90 ° - sl ; i e{1.....n).
3. 3. La disposición de sistema (1) de concentración solar según la reivindicación anterior, caracterizada porque los al menos dos ejes longitudinales (12.3) contenidos en el plano oblicuo corresponden al menos a dos reflectores (12) situados a mayor altura y a menor altura del colector (10).
4. 4. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los reflectores (12) están alineados substancialmente según una orientación geográfica Norte-Sur.
5. 5. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada reflector R¡j (12) de la pluralidad den * mreflectores (12) está dispuesto a una distancia al al menos un receptor (11) definida como ;en donde la relación entre las distancias al al menos un receptor (11) de dos reflectores cualesquiera de la pluralidad den * mreflectores (12) es igual a un valor comprendido entre 0,7 y 1,3.
6. 6. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la anchura D del pasillo (14) mide substancialmente entre 1 y 3 metros.
7. 7. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la anchura D del pasillo (14) cumple que

   donde As es la apertura superior un colector (10) medido en paralelo al plano horizontal entre sus puntos extremos.
8. 8. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende además al menos un dispositivo de accionamiento para variar los ángulos $y del reflector Ry (12), en el que el movimiento de cada reflector Ry (12) puede ser o bien individual o bien síncrono respecto a los demás reflectores (12).
9. 9. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el al menos un receptor (11) comprende un conducto (11.1) del tipo tubo de vacío, o comprende una pluralidad de conductos simples.
10. 10. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada ángulo Ay cumple la condición: ¿11 = ¿12 = - =¿nm = ¿ ; í e {1,...,n}; ; e { ! ,...,m}.
11. 11. La disposición de sistema (1) de concentración solar según la reivindicación 10, caracterizada porque se cumple la condición: X =24°.
12. 12. La disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la superficie en la que están contenidos los ejes longitudinales (12.3) en torno a los cuales giran los reflectores (12) es una superficie cuádrica, en particular un cilindro circular, un cilindro hiperbólico, un cilindro parabólico o un cilíndrico elíptico, o secciones de los anteriores.
13. 13. Una instalación (100) de concentración que comprende una disposición de sistema (1) de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.