ES2636806T3 - Panel de absorción solar que comprende un colector - Google Patents

Panel de absorción solar que comprende un colector Download PDF

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ES2636806T3 ES11382295.1T ES11382295T ES2636806T3 ES 2636806 T3 ES2636806 T3 ES 2636806T3 ES 11382295 T ES11382295 T ES 11382295T ES 2636806 T3 ES2636806 T3 ES 2636806T3
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Abstract

Un panel de recepción solar (12) que comprende un primer colector (10) con una entrada para un fluido térmico, un segundo colector (10') con una salida para el fluido térmico, y una pluralidad de tubos de absorción solar (14) conectados a dichos colectores (10, 10'), en el que al menos uno de los colectores (10, 10') es una colector que comprende un cuerpo de colector (18, 18') que comprende: - una pared de colector que rodea una cámara interior (11, 11'), - al menos una abertura de acceso (21, 21') que comunica con la cámara interior (11, 11') para conectar un tubo de fluido, y - una pluralidad de boquillas de unión (16, 16') provistas en la pared de colector que pueden conectarse a los tubos de absorción solar (14) respectivos, en el que la abertura de acceso (21, 21'), la cámara interior (11, 11') y las boquillas (16, 16') están dispuestas para permitir que un fluido térmico fluya a través de las mismas, caracterizado por que la cámara interior (11, 11') de dicho al menos uno de los colectores (10, 10') tiene una forma sustancialmente esférica con un diámetro que es al menos igual a 1,5 veces la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorción solar (14) a conectar a dichas boquillas de unión (16, 16'), en el que al menos una de las boquillas de unión (16, 16') está situada en un segmento semiesférico de la cámara interior (11, 11') que es transversalmente opuesto a dicha abertura de acceso (21, 21').

Description

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DESCRIPCION
Panel de absorcion solar que comprende un colector Campo tecnico de la invencion
La presente invencion se encuentra dentro del campo tecnico de los colectores y, en particular, se refiere a los colectores utilizados para distribuir y recoger tubos de absorcion solar de un panel de recepcion solar, normalmente un captador solar de sal fundida, aunque tambien es aplicable a paneles de absorcion que utilizan otros fluidos de transmision de alta temperatura.
Antecedentes de la invencion
En los paneles receptores de absorcion solar de sal fundida, a los que se conectan tubos de absorcion solar mediante manguitos o boquillas que se han mecanizado previamente y posteriormente se han soldado, se han utilizado colectores cillndricos de paredes finas con secciones transversales constantes y colectores de pared delgada con secciones transversales variables. En algunos casos, las boquillas se han extruido directamente desde el captador. Tales realizaciones se han divulgado en la patente de Estados Unidos US-6736134-B2 y en su documento homologo WO 03/021159 A2, y en la patente de Estados Unidos US2009/ 250051 A1 y en su documento homologo ES-2263394-B1, respectivamente.
Algunas de las construcciones de este tipo someten las areas que unen el cuerpo de colector a los tubos de absorcion solar a altas fatigas termicas. Estas fatigas termicas estan causadas por cambios rapidos de temperatura en las sales fundidas que fluyen a traves del colector debido al paso de s nubes sobre el campo de heliostatos de una planta solar. Estas fatigas termicas debidas a cambios abruptos de temperatura pueden atenuarse colocando envolturas u otra proteccion termica en las boquillas que unen los tubos de absorcion solar al colector. Sin embargo, estas protecciones tienen geometrlas que son complejas en cuanto a fabrication y son diflciles de montar. Sin esta proteccion, la vida util de la planta es extremadamente corta.
Por otra parte, este colector requiere una section transversal de paso mlnimo para distribuir uniformemente el flujo de sales u otro fluido de transmision a traves de todos los tubos de absorcion solar conectados al colector, a una perdida de presion lo mas baja posible. Sin embargo, se conoce bien que el flujo de sal fundida o del fluido de transmision no es uniforme a lo largo del colector y que dicha distribution de flujo variable dependera de la disposition de las conexiones en el colector del tubo o tubos que lo alimenten y de los tubos de absorcion solar que distribuyen las sales o el fluido de transmision.
En un colector cillndrico que tiene secciones transversales constantes y alimentadas basicamente por sus porciones centrales, la velocidad del fluido de transmision se reduce sustancialmente en las areas laterales a medida que el fluido se ha distribuido a traves de los tubos de absorcion solar que se conectan a la parte central del colector, provocando as! fuertes fatigas termicas en las boquillas que unen los tubos de absorcion solar que se conectan con las porciones laterales del colector.
Este diseno que concierne a un colector cillndrico que tiene una seccion transversal constante, no optimiza la combination de generadores de fatigas termicas al pasar transitoriamente las nubes, con las fatigas mecanicas que el colector tambien debe absorber como un contenedor que esta bajo presion en estas porciones que estan alejadas de los tubos de alimentation del colector, implicando por lo tanto que su cuerpo principal requiera espesores de pared mayores que los deseados, que a su vez son adversos para las fatigas termicas derivadas de las boquillas que unen el colector a los tubos.
En el diseno de colectores que tienen secciones transversales variables y paredes finas, el objetivo es proporcionar un diseno de colector mejorado que sea adecuado para su uso en paneles de recepcion solar para sales fundidas o para cualquier otro fluido de transmision, soportando mas eficientemente las fatigas termicas experimentadas por las boquillas que unen el colector a los tubos de absorcion solar.
Por lo tanto, un objeto principal de la presente invencion es proporcionar un diseno de colector para su uso en paneles de recepcion solar de sal fundida o en otros paneles de recepcion solar de fluido de transmision que trate de forma mas efectiva las fatigas termicas experimentadas en las boquillas que unen el colector a los tubos de absorcion solar sin la necesidad de utilizar dispositivos de proteccion termica complejos y caros.
Otro objeto de la presente invencion es proporcionar un diseno de colector para su uso en paneles de recepcion solar de sal fundida o en otros paneles de recepcion solar de fluido de transmision que permita usar el mismo concepto de una boquilla que une el colector y el tubo de absorcion solar del colector, para todos los tubos conectados al mismo incluyendo aquellas areas tanto de flujo alto como de flujo bajo de sales u otros fluidos, obteniendo as! las ventajas resultantes en cuanto a fabricacion y costes.
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Descripcion de la invencion
La presente invencion esta concebida para cumplir con los objetos mencionados anteriormente mediante un colector para paneles de absorcion solar y un panel de absorcion que comprende el colector.
El panel de absorcion solar conforme con la invencion comprende un primer colector con una entrada para un fluido termico, un segundo colector con una salida para el fluido termico y una pluralidad de tubos de absorcion solar conectados a dichos colectores, en el que al menos uno de los colectores comprende un cuerpo de colector que tiene una pared de colector que rodea una camara interior, al menos una abertura de acceso que comunica con la camara interior para conectar un tubo de fluido y una pluralidad de boquillas de union provistas en la pared de colector que pueden conectarse a tubos de absorcion solar respectivos, la abertura de acceso, la camara interior y las boquillas dispuestas para permitir que un fluido termico fluya a traves de las mismas, caracterizado por que la camara interior tiene una forma sustancialmente esferica con un diametro que es al menos 1,5 veces la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorcion solar para conectarse a dichas boquillas de union, en el que al menos una y preferentemente una pluralidad de las boquillas de union estan situadas en un segmento semiesferico de la camara interior que es transversalmente opuesto a dicha abertura de acceso.
El termino "fluido termico" tal como se utiliza en el presente documento, incluye sales fundidas y otros fluidos de transmision termica que se conocen en la tecnica.
Preferentemente, el cuerpo de colector tambien tiene una forma externa sustancialmente esferica.
De acuerdo con la invencion, una o mas de las boquillas de union pueden formarse por extrusion de la pared de colector. Alternativamente, una o mas de las boquillas de union pueden ser elementos independientes fijados en orificios de la pared de colector, por ejemplo por soldadura. Preferentemente, las boquillas de union estan distribuidas uniformemente en la pared de colector. Por otra parte, la al menos una abertura de acceso puede ser una boquilla de acceso formada por extrusion de la pared de colector o, alternativamente, una boquilla de acceso fijada en un orificio de acceso en la pared de colector.
Desde un punto de vista teorico, una esfera es la forma optima para un recipiente que tiene que soportar presion interna, ya que un contenedor de tal forma puede fabricarse con una pared que es mas delgada que recipientes que tienen otras formas. Una forma esferica conduce as! al ahorro de material, de inspecciones y de tiempo en el proceso de fabricacion. Ademas, permite reducir sustancialmente la diferencia entre el espesor de la pared del cuerpo de colector y el de las paredes de los tubos de absorcion, de manera que se optimiza la deformacion termica ejercida sobre el mismo entre las boquillas de union localizadas, y la vida util operativa del colector se extiende.
Los materiales adecuados para fabricar el colector deben seleccionarse entre los que ofrezcan propiedades adecuadas a altas temperaturas, por ejemplo por encima de 600 °C, tales como alta resistencia mecanica, alta resistencia a la tension originada por la temperatura, resistencia adecuada a la corrosion por presion y alta temperatura contra fluidos termicos tales como la sal fundida, como por ejemplo sales de nitrato u otros fluidos de transmision termica, bajo coeficiente de dilatacion termica, de manera que puedan evitarse las tensiones procedentes de deformaciones termicas o al menos minimizarlas, soldabilidad, conformabilidad y que sea un material de uso comun. Las aleaciones de alto rendimiento a base de nlquel ("superaleaciones") tales como INCONEL 625 o aleaciones similares son candidatas adecuadas.
Las boquillas de union pueden formarse, por ejemplo por extrusion del material del cuerpo esferico, o pueden ser elementos separados fabricados por ejemplo por prensado, extrusion o mecanizado, que se insertan en los orificios hechos en el cuerpo esferico.
Una funcion importante del colector es proporcionar una distribucion uniforme de los flujos de fluido termico a los tubos de absorcion solar con las mlnimas perdidas de presion posibles. Para conseguir esto, es ventajoso que la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorcion solar sea al menos igual a la seccion del paso interior del tubo de entrada que alimenta el fluido termico al colector o, cuando esta provisto mas de un tubo de entrada, a la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de entrada.
La seccion transversal maxima del cuerpo de colector, que es el diametro interior maximo de la esfera, debe ser la seccion transversal mas pequena posible que permita formar las boquillas de union fuera del material del cuerpo de colector o, en su caso, que permita el ajuste y la soldadura de las boquillas de union en el cuerpo de colector, pero que sea al menos igual a 1,5 veces la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorcion solar que se conectan al colector.
El colector esferico de acuerdo con esta invencion proporciona una serie de ventajas sobre el colector cillndrico convencional que tiene secciones transversales constantes o variables.
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El colector esferico mejora la uniformidad de la distribucion del flujo de fluido termico a traves de los tubos de absorcion solar conectados al mismo, de modo que se reducen las tensiones termicas generadas al producirse cambios transitorios en las boquillas de union que unen el colector con los tubos de absorcion solar, de manera que las tensiones mecanicas debidas a la presion en las areas correspondientes se reducen como consecuencia de la reduccion de la seccion transversal del paso ya que se produce una menor tension con una carga de presion por lo demas igual. A su vez, esto implica otras ventajas relevantes tales como la posibilidad de utilizar paredes de colector mas finas para el cuerpo de colector que permiten al colector soportar mejor las tensiones termicas fuertes en las areas en las que el colector esta unido al tubo de entrada o de salida y a las boquillas de union a las cuales se conectan los tubos de absorcion solar durante el paso transitorio de nubes sobre el campo de heliostatos de la planta solar donde se use el colector.
Otra ventaja del colector de la presente invencion es que puede utilizarse el mismo concepto de boquilla de union para todos los tubos de absorcion solar conectados al colector. Esto da lugar a ventajas tales como una fabricacion menos compleja y menos costosa y en la que puede prescindirse del uso, fabricacion y montaje de dispositivos de proteccion termica para las boquillas situadas en areas de bajo flujo de fluido del fluido termico de disenos complejos y costosos.
Hablando de forma general, cuanto mayor sea el colector de la presente invencion debido a la necesidad de conectar un gran numero de tubos de absorcion solar, mas ventajoso es su uso, ya que requiere un espesor de pared menor que el necesario en colectores convencionales y por lo tanto es mas adecuado en relacion con las paredes finas del tubo de absorcion solar con el que se conecta. Esto da lugar a menos gradientes de temperatura y por lo tanto a menos tension termica en las areas de las boquillas de union causadas por cambios de temperatura transitorios en el fluido termico producidas por el paso de nubes, de manera que la vida util aumenta sustancialmente.
El panel de recepcion solar comprende un primer colector con una entrada para un fluido termico, un segundo colector con una salida para el fluido termico y una pluralidad de tubos de absorcion solar conectados a dichos colectores en el que al menos uno de los colectores, preferentemente ambos, es un colector como se ha descrito anteriormente.
Breve descripcion de los dibujos
A continuacion, se describiran aspectos de la invencion basandose en los dibujos en los que:
la figura 1 es una vista esquematica parcialmente seccionada de un panel de absorcion solar que pertenece a un receptor solar central provisto de colectores de acuerdo con una realizacion de la invencion; la figura 2 es una vista lateral de una colector presente en el panel mostrado en la figura 1; la figura 3 es una vista superior en planta del colector mostrado en la figura 2; la figura 4 es una vista inferior en planta del colector mostrado en las figuras 2 y 3;
la figura 5 muestra las perspectivas superior e inferior de otra realizacion de un colector esferico que tiene una pluralidad de boquillas.
Realizaciones de la invencion
La figura 1 muestra un panel de absorcion solar-12-constituido por una pluralidad de tubos de absorcion solar paralelos-14-cuyos extremos respectivos estan conectados a cuerpos principales esfericos huecos-18, 18'-de los colectores-10, 10'-mediante las respectivas boquillas de union-16, 16'. Preferentemente, los extremos de los tubos- 14-estan unidos a las boquillas de union-16, 16'-por soldadura, y mas preferentemente por soldadura a tope. En una gran proporcion, la fiabilidad del colector-10, 10'-esta condicionada por dichas soldaduras, a la que se prefiere la soldadura automatizada.
Un flujo de entrada de sal fundida o de otro fluido de transmision entra en el panel de absorcion solar-12-a traves de una primera abertura-21, por ejemplo, una boquilla de entrada del cuerpo esferico hueco-18-en el que el flujo se distribuye por medio de las boquillas-16-en los diversos tubos-14. Los flujos as! divididos pasan a traves de los tubos de absorcion-14-hacia las boquillas-16'-del cuerpo esferico hueco-18'-de un segundo colector-10'-en el que los flujos divididos se unen en un flujo de salida que sale del segundo cuerpo esferico hueco-18'-a traves de la abertura-21', por ejemplo, una boquilla de salida. Los flujos divididos absorben la energla calorlfica de la radiacion solar-22- procedente de un campo de heliostatos (no mostrado en los dibujos) reflejada sobre los tubos-14, de manera que la sal fundida u otro fluido de la transmision se calienta. Se proporciona una proteccion termica convencional per se-23- para mejorar el rendimiento termico del panel de absorcion solar-12. La proteccion termica-23-alsla el panel de absorcion-12-y el colector-10, 10'-excepto en el area del lado de los tubos de absorcion solar-14-que recibe la radiacion solar reflejada-22.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran una realizacion preferida de un colector esferico-10, 10'-de acuerdo con esta invencion,
en el que el cuerpo principal esferico-18, 18'-tiene una seccion transversal variable. En esta realizacion, la abertura, es decir, la boquilla de entrada o de salida-21, 21'-y/o las boquillas de union-16-se extruyen preferentemente directamente del cuerpo principal-18, 18'.
La figura 5 muestra una realizacion del colector esferico-10, 10'-en el que las boquillas-21, 21'; 16, 16'-son 5 elementos fabricados por separado que se han insertado en orificios realizados previamente en el cuerpo principal esferico-18, 18'-y se han soldado a los mismos.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un panel de recepcion solar (12) que comprende un primer colector (10) con una entrada para un fluido termico, un segundo colector (10') con una salida para el fluido termico, y una pluralidad de tubos de absorcion solar (14) conectados a dichos colectores (10, 10'), en el que al menos uno de los colectores (10, 10') es una colector que comprende un cuerpo de colector (18, 18') que comprende:
    - una pared de colector que rodea una camara interior (11, 11'),
    - al menos una abertura de acceso (21, 21') que comunica con la camara interior (11, 11') para conectar un tubo de fluido, y
    - una pluralidad de boquillas de union (16, 16') provistas en la pared de colector que pueden conectarse a los tubos de absorcion solar (14) respectivos, en el que
    la abertura de acceso (21, 21'), la camara interior (11, 11') y las boquillas (16, 16') estan dispuestas para permitir que un fluido termico fluya a traves de las mismas, caracterizado por que la camara interior (11, 11') de dicho al menos uno de los colectores (10, 10') tiene una forma sustancialmente esferica con un diametro que es al menos igual a 1,5 veces la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorcion solar (14) a conectar a dichas boquillas de union (16, 16'), en el que al menos una de las boquillas de union (16, 16') esta situada en un segmento semiesferico de la camara interior (11, 11') que es transversalmente opuesto a dicha abertura de acceso (21, 21').
  2. 2. Un panel de recepcion solar de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el cuerpo de colector (18, 18') tiene una forma externa sustancialmente esferica.
  3. 3. Un panel de recepcion solar de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que al menos algunas de las boquillas de union (16, 16') se forman por extrusion de la pared de colector.
  4. 4. Un panel de recepcion solar de acuerdo con la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado por que al menos algunas de las boquillas de union (16, 16') son elementos independientes fijados en orificios en la pared de colector.
  5. 5. Un panel de recepcion solar de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que las boquillas de union (16, 16') se fijan por soldadura.
  6. 6. Un panel de recepcion solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que al menos una abertura de acceso (21, 21') es una boquilla de acceso formada por extrusion de la pared de colector.
  7. 7. Un panel de recepcion solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la al menos una abertura de acceso (21, 21') es una boquilla de acceso fijada a un orificio de acceso de la pared de colector.
  8. 8. Un panel de recepcion solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
    por que comprende una unica abertura de acceso (21) y por que la suma de las secciones de los pasos interiores
    de los tubos de absorcion solar (14) es al menos igual a la seccion del paso interior del tubo de fluido a conectar a la
    abertura de acceso (21, 21').
  9. 9. Un panel de recepcion solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
    por que comprende al menos dos aberturas de acceso (21) y porque la suma de las secciones de los pasos interiores de los tubos de absorcion solar (14) es al menos igual a la suma de las secciones del paso interior del tubo de fluido a conectar a la abertura de acceso (21, 21').
  10. 10. Un panel de recepcion solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que las boquillas de union (16, 16') se distribuyen uniformemente en la pared de colector.
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