ES2638858T3 - Captador solar - Google Patents

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ES2638858T3
ES2638858T3 ES09815492.5T ES09815492T ES2638858T3 ES 2638858 T3 ES2638858 T3 ES 2638858T3 ES 09815492 T ES09815492 T ES 09815492T ES 2638858 T3 ES2638858 T3 ES 2638858T3
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Richard Howard Gentle
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Abstract

Un captador solar, que comprende: un medio (2) de regulación de calor, que define una cavidad (1265) en el mismo y que tiene una abertura (9) que comunica con la cavidad, para permitir que la energía solar incidente sobre la abertura (9) entre en la cavidad a través de la abertura (9), estando dicho medio (2) de regulación de calor dispuesto dentro de una carcasa (10); una atmósfera de gas y/o de baja presión dentro de la carcasa (10), siendo dicho gas un gas que no reacciona sustancialmente con el medio (2) de regulación de calor a la temperatura máxima de operación del medio (2); un dispositivo (1) de captación de energía, dispuesto en la cavidad y en contacto térmico con el medio (2) de regulación de calor, para captar la energía solar que entra en la cavidad; y un intercambiador (3) de calor, en contacto térmico con el medio (2) de regulación de calor; caracterizado porque el medio (2) de regulación de calor comprende grafito, partículas de grafito embebidas en una matriz termoconductora, carbono puro o una mezcla de cualquiera de dos o más de los mismos.

Description

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DESCRIPCION
Captador solar Campo tecnico
La presente invention se refiere a un dispositivo para captar y regular la energla solar. Antecedentes de la invencion
Existe una necesidad mundialmente reconocida de incrementar el uso de fuentes de energla renovables, y de reducir la cantidad de combustibles fosiles consumidos durante la production de energla.
Existe una serie de impedimentos al mayor uso de energlas renovables. Los principales impedimentos son que las fuentes de energla renovables son, en general, mas costosas que otras fuentes de energla, no siempre estan disponibles en los momentos requeridos y su calidad es variable. Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas de regulation que puedan ayudar a salvar el lapso temporal entre la disponibilidad y la demanda, y tambien ayudar a mantener la calidad de la electricidad producida a partir de fuentes renovables. De esta manera, aumentarla intrlnsecamente el valor de la energla renovable. Amentar el valor de la energla renovable al mejorar su calidad y hacer que este disponible segun demanda, ayudarla sustancialmente a superar el mayor costo de capital de los sistemas y el costo de produccion. Esto facilitarla a su vez un aumento del uso de fuentes renovables.
En la actualidad, los sistemas de energla solar se dividen en dos categorlas:
1) Los sistemas fotovoltaicos (PV), en los que se absorbe energla solar en materiales que convierten los rayos solares directamente en electricidad;
2) Energla solar concentrada (CSP), en la que se utiliza la energla solar para calentar un fluido y dicho fluido calentado se utiliza para impulsar directa o indirectamente un dispositivo mecanico (como una turbina), para convertir la energla termica en energla electrica. Para permitir utilizar la radiation solar como calor para un ciclo termodinamico, para producir vapor de proceso o electricidad, primero debera concentrarse la misma hasta que alcance temperaturas mas altas, ya que la radiacion solar llega a la Tierra con una densidad demasiado baja como para producir tales temperaturas.
Los sistemas que se utilizan en la actualidad incluyen:
• Sistemas de captadores lineales de tipo cilindroparabolico, que comprenden un reflector lineal de section transversal parabolica y un tubo captador, que se extiende a lo largo del punto focal de la parabola en cada reflector. Este tubo contiene un fluido que se calienta. El fluido calentado se bombea entonces a un motor termico (por ejemplo, una turbina), pudiendo accionarlo directamente (si el fluido captador es agua/vapor) o a traves de un intercambiador de calor (si el fluido captador es aceite);
• Sistemas de captadores lineales de tipo "Fresnel", que comprenden multiples reflectores lineales planos, todos en angulos diferentes, para simular una gran forma parabolica con un conjunto de tubos captadores situados de manera elevada por encima de los multiples reflectores, que tambien captan energla en un fluido contenido en el tubo, al igual que los anteriores.
Una caracterlstica de estos sistemas lineales es que las temperaturas maximas que pueden alcanzarse de manera consistente estan en el intervalo de los 350 °C, lo que significa que los motores termicos operan a niveles de eficiencia bajos, es decir, en el intervalo de 250 °C a 300 °C.
Con el fin de alcanzar temperaturas mas altas, y para poder accionar motores termicos mas eficientes, los sistemas en uso incluyen:
• Torres Altas Individuales, que recolectan la energla solar concentrada en un objetivo a partir de un gran numero de espejos planos, que siguen el sol y enfocan el gran numero de imagenes sobre un punto de captation, en el que las altas temperaturas alcanzadas se utilizan para calentar un fluido que se transmite a un motor y se convierte a electricidad;
• Sistemas de Plato/Motor, en los que se coloca un pequeno motor termico en el punto focal de un plato parabolico, y se acciona el mismo directamente con la energla solar concentrada;
• Sistemas termicos solares de torres multiples, en los que se utilizan varias torres mas pequenas para captar la energla solar, de manera similar a las torres altas, pero los espejos tambien pueden ser curvos de modo que la concentration de la energla sea mucho mayor y se consigan altas temperaturas (superiores a 1000 °C) con menos espejos por torre.
En cada uno de estos sistemas, en caso de no utilizar inmediatamente la energla solar, tendra que utilizarse la misma a medida que vaya captandose, o tendra que transportarse el fluido caliente hasta un sistema de almacenamiento a base de fluido, tal como agua caliente, vapor o sal fundida, o un sistema de almacenamiento a base de solidos, tales como roca caliente, hormigon o arena.
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El documento US 4280482 describe un procedimiento y un aparato para captar, intensificar y almacenar energla solar, que incluye un vaso esferico hueco que tiene una superficie interior reflectante pulida. Una ventana en la pared del vaso permite que los rayos concentrados del sol entren en el vaso, y sean absorbidos por un captador solar que presenta medios absorbentes de calor tales como perdigones metalicos de aluminio, cobre, laton bronce, u otros metales adecuados que se fundan cuando el sistema este operativo.
Objeto de la invencion
Uno de los objetos de la presente invencion es superar sustancialmente, o al menos mejorar, uno o mas de los inconvenientes anteriores.
Sumario de la invencion
La invencion proporciona un captador solar de acuerdo con la reivindicacion 1, y un procedimiento de captation de energla solar de acuerdo con la reivindicacion 14. En un primer aspecto de la presente divulgation se proporciona un captador solar, que comprende:
• un medio de regulation de calor que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura, y
• un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad.
Las siguientes opciones pueden utilizarse conjuntamente con el primer aspecto, individualmente o en cualquier combination adecuada.
El medio de regulacion de calor puede ser solido. Puede comprender un material con alto contenido de carbono. Puede ser grafito sintetico. Puede ser grafito no sintetico. Puede comprender grafito, partlculas de grafito, grafito sintetico o partlculas sinteticas de grafito, o una combinacion de los mismos, embebidos en una matriz termoconductora. La matriz termoconductora puede comprender cobre, oro, aluminio o plata, o una mezcla o aleacion de cualquiera de dos o mas de los mismos. Si se utiliza una mezcla o aleacion, puede presentar cualquier proportion deseada de componentes. El grafito no sintetico o el grafito sintetico puede tener una pureza de al menos aproximadamente un 95 %. El espesor del medio de regulacion de calor puede ser de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 1500 mm.
El dispositivo de captacion de energla puede estar en contacto flsico con el medio de regulacion de calor. El dispositivo de captacion de energla puede comprender acero inoxidable, u otro metal o aleacion adecuado para su uso a altas temperaturas, adecuado por ejemplo para su uso a la temperatura de operation del dispositivo. Puede ser o tener forma de una capa, por ejemplo, una capa que tenga un espesor de entre aproximadamente 1 y aproximadamente 10 mm. La capa puede cubrir sustancialmente toda la superficie interior de la cavidad. El dispositivo de captacion de energla tiene la capacidad de absorber la energla solar y convertirla en calor. Tiene la capacidad de transferir el calor al medio de regulacion de calor.
El captador solar puede comprender una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que haga tope con la cavidad. La capa protectora puede tener un espesor de entre aproximadamente 1 y aproximadamente 200 micrometros. La capa protectora puede comprender metal y/o ceramica. Puede comprender metal de aluminio. Puede comprender alumina.
La capa protectora puede proteger el dispositivo de captacion de energla antes los danos, por ejemplo, los danos flsicos o los danos por oxidation.
El captador solar puede comprender adicionalmente un intercambiador de calor, en contacto termico con el medio de regulacion de calor. El intercambiador de calor puede comprender una tuberla de intercambio de calor, capaz de aceptar un fluido de transferencia de calor. La tuberla de intercambio de calor puede estar embebida al menos parcialmente en el medio de regulacion de calor. Puede estar situada al menos a unos 50 mm de la capa de captacion de energla. Diferentes porciones de la tuberla de intercambio de calor pueden estar embebidas en el medio de regulacion de calor, a diferentes distancias del dispositivo de captacion de energla. Las porciones del intercambiador de calor pueden estar distribuidas de manera sustancialmente uniforme por todo el espesor del medio de regulacion de calor.
La tuberla de intercambio de calor puede acoplarse a una fuente de agua, o de otro fluido de intercambio de calor adecuado. Durante el uso, la tuberla de intercambio de calor puede soportar una presion interna de vapor (o presion de otro fluido de intercambio de calor calentado, por ejemplo, agua llquida) de hasta aproximadamente 10 y aproximadamente 200 bar (por ejemplo, de hasta aproximadamente 10 bar, o de hasta aproximadamente 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180 o 200 bar). El medio de regulacion de calor puede estar formado por una pluralidad de placas de regulacion de calor adyacentes. Al menos algunas de dichas porciones pueden presentar ranuras en las mismas, de modo que la tuberla de intercambio de calor estara dispuesta dentro de dichas ranuras.
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El captador solar puede comprender adicionalmente una capa termicamente aislante que rodee al menos parcialmente el medio de regulation de calor. La capa aislante puede comprender un solido termicamente aislante, que presente poros y/o huecos. Los poros y/o huecos pueden contener un gas inerte en su interior. La capa termicamente aislante puede comprender aislamiento fibroso, granular o en partlculas. La capa aislante puede acoplarse con una fuente de gas inerte. La fuente de gas inerte puede regularse o controlarse. La fuente de gas inerte puede comprender un dispositivo de control de la presion, para controlar la presion del gas inerte en la capa aislante. Por ejemplo, el dispositivo de control de presion puede controlar la presion del gas inerte en la capa aislante hasta ligeramente por encima de la presion atmosferica. Esto puede asegurar que no haya oxlgeno ni aire en la capa aislante. Por lo tanto, el captador solar puede comprender un sistema de suministro de gas inerte acoplado a la capa aislante, para suministrar el gas inerte a la misma. Un sistema de suministro de gas inerte adecuado comprende una fuente de gas inerte, acoplada a la capa aislante, una valvula controlable para controlar el flujo del gas inerte a la capa aislante, y un detector de presion de gas acoplado a la capa aislante para detectar la presion de gas en la misma, estando acoplado dicho detector a la valvula controlable para controlar dicha valvula.
La abertura del captador solar puede estar rodeada por un reborde que comprenda un material de reborde de alta temperatura, es decir, un material que soporte temperaturas muy altas. Puede considerarse el mismo como un material de reborde resistente a altas temperaturas. La abertura puede estar revestida con un material ceramico de revestimiento de abertura para altas temperaturas. El material de reborde para altas temperaturas puede ser un material ceramico de reborde para altas temperaturas, es decir, puede ser adecuado para resistir operaciones a una temperatura muy alta. El material de reborde o material de revestimiento para altas temperaturas puede ser, o puede comprender, carburo de silicio, un tejido a base de alumina, tungsteno, molibdeno, alumina, circonia, circonio, aluminosilicatos (opcionalmente, cada uno puede tener forma fibrosa o espumada), o una mezcla de dos o mas de los mismos.
El medio de regulacion de calor puede estar situado sobre un soporte termicamente aislante. El soporte termicamente aislante puede comprender un material ceramico.
El medio de regulacion de calor y, si estan presentes, la capa termicamente aislante y el soporte termicamente aislante, pueden estar dispuestos dentro de una carcasa. La carcasa puede estar construida con acero o con algun otro material adecuado. La carcasa puede estar sellada contra el dispositivo de captation de energla, para formar un recinto sustancialmente estanco a gases que rodee el medio de regulacion de calor y, si esta presente, la capa de aislamiento termico.
El captador solar puede comprender una pantalla protectora, dispuesta debajo de la carcasa, para proteger una portion inferior de la carcasa ante los danos por la energla solar reflejada. La pantalla protectora debera tener una abertura de pantalla protectora, para permitir que la energla solar pase a traves de la pantalla protectora hacia el interior de la cavidad. Entre la carcasa y la pantalla protectora puede haber un hueco. Esto puede servir para permitir que el calor escape de la pantalla protectora. La pantalla protectora puede comprender una pluralidad de nervios, para mejorar la resistencia estructural y para irradiar calor desde dicha pantalla protectora. Los nervios pueden extenderse radialmente desde la abertura de la pantalla protectora. La pantalla protectora puede estar al menos parcialmente cubierta con fibras aislantes de ceramica, para proteger la superficie de la pantalla protectora. La pantalla protectora puede comprender acero inoxidable, acero blando aluminizado, o una combination de ambos. La pantalla protectora puede estar dispuesta no solo para proteger la porcion inferior de la carcasa, sino que tambien puede estar dispuesta para proteger los ladrillos refractarios orientados hacia la cavidad.
El captador solar puede comprender un tapon extralble, para restringir el flujo de un gas hacia dentro y/o hacia fuera de la cavidad. El tapon puede ser opaco a la energla solar. Puede ser termicamente aislante. Puede estar construido, por ejemplo, por acero o por algun otro material, opcionalmente puede estar revestido o parcialmente revestido con un material termicamente aislante, por ejemplo, una ceramica tal como una tela de fibra ceramica. El tapon puede estar dispuesto y/o conformado de manera que pueda insertarse en la abertura o, si esta presente, en la abertura de la pantalla protectora. Por ejemplo, puede ser circular, cuadrada, triangular, pentagonal, ovalada, o de alguna otra forma adecuada. El captador solar puede comprender un mecanismo de insertion de tapon, para insertar y retirar el tapon. Alternativamente, el tapon puede insertarse manualmente en la abertura o abertura de pantalla protectora. El mecanismo de insercion de tapon puede accionarse manualmente, o puede accionarse automaticamente. Por ejemplo, puede comprender un mecanismo elevador de tipo tijera, un piston neumatico o un piston hidraulico, para elevar el tapon hacia su ubicacion cuando sea necesario. El mecanismo de insercion de tapon puede estar acoplado a un controlador de modulo. El controlador de modulo puede controlar (por ejemplo, puede programarse de manera que pueda controlar) el mecanismo de insercion de tapon, para insertar el tapon cuando deje de dirigirse la energla solar a la abertura y para retirar el tapon poco antes de comenzar a dirigir la energla solar a la abertura, Esto permite que la energla solar entre en la cavidad cuando sea necesario. El tapon impide la perdida convectiva desde la cavidad cuando no haya entrada de energla solar, y/o sirve para impedir una nueva irradiation de la energla termica desde la cavidad en tales momentos. A su vez, esto sirve para mantener el medio de regulacion de calor y la cavidad a una temperatura mas alta, durante mas tiempo de lo que serla el caso sin el tapon.
En algunos casos, el captador solar puede tener una pluralidad de aberturas. Cada abertura puede comunicarse con una cavidad en el medio de regulacion de calor, para permitir que la energla solar incidente en la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura. En algunos casos, cada abertura se comunicara con una cavidad diferente del
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medio de regulacion de calor.
El captador solar puede comprender al menos un termopar, para determinar una temperatura dentro del captador solar. Habitualmente, el captador tiene entre aproximadamente 10 y aproximadamente 40 termopares, o entre 10 y 30, 10 y 20, 20 y 30, 30 y 40 o 25 y 35 termopares, por ejemplo, aproximadamente 10, 12, 14, 16, 18, 20, 30, 40 o 50 termopares. Estos pueden estar dispuestos simetricamente, o pueden estar dispuestos simetricamente en el captador. El termopar, o al menos uno de los termopares, puede estar dispuesto en una ubicacion proxima o adyacente a una posicion en el dispositivo de captacion de energla, en la que pueda recibir energla solar directamente desde el exterior de la cavidad. Puede/n estar dispuesto/s en una parte inferior del captador solar. Al menos un termopar puede estar en contacto con el dispositivo de captacion de energla, para medir su temperatura. Al menos un termopar puede estar dispuesto en el medio de regulacion de calor, para determinar su temperatura. Puede haber termopares dispuestos a diferentes profundidades dentro del medio de regulacion de calor. El termopar, o cada termopar independientemente, puede/n estar dispuesto/s de manera que pueda/n medir la temperatura en una ubicacion seleccionada en el dispositivo de captacion de energla, en el cuerpo del medio de regulacion de calor, en el exterior de la tuberla de intercambio de calor (si esta presente) y en la capa termicamente aislante (si esta presente). Debe observarse que, a lo largo de esta memoria descriptiva, dondequiera que se indique el uso de termopares, pueden usarse dispositivos de medicion de temperatura apropiados que no sean termopares. Tales dispositivos adecuados incluyen termometros sin contacto y termometros de infrarrojos.
En una realizacion se proporciona un captador solar, que comprende:
• un medio de regulacion de calor de grafito que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura, y
• un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad; y
• una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace tope en la cavidad.
En otra realizacion se proporciona un captador solar, que comprende:
• un medio de regulacion de calor de grafito que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura;
• un reborde, que comprende un material de reborde para altas temperaturas que rodea la abertura;
• un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad;
• una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace tope en la cavidad; y
• un intercambiador de calor que esta en contacto termico con el medio de regulacion de calor, comprendiendo
dicho intercambiador de calor una tuberla de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor.
En otra realizacion se proporciona un captador solar, que comprende:
• un medio de regulacion de calor de grafito que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura;
• una capa termicamente aislante que rodea al menos parcialmente el medio de regulacion de calor;
• un reborde, que comprende un material de reborde para altas temperaturas que rodea la abertura;
• un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad;
• una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace tope en la cavidad; y
• un intercambiador de calor que esta en contacto termico con el medio de regulacion de calor, comprendiendo
dicho intercambiador de calor una tuberla de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor.
En otra realizacion se proporciona un captador solar que comprende:
• un medio de regulacion de calor de grafito, que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura;
• un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad;
• un intercambiador de calor que comprende una tuberla de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor, estando embebido dicha tuberla de intercambio de calor en el medio de regulacion de calor;
• una capa termicamente aislante que rodea al menos parcialmente el medio de regulacion de calor, estando acoplada dicha capa opcionalmente con un sistema de suministro de gas inerte, para suministrar un gas inerte a
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la misma; y
• una carcasa que rodea el medio de regulacion de calor y la capa termicamente aislante, estando sellada dicha carcasa contra el dispositivo de captacion de energla para formar un recinto sustancialmente estanco a gases, que rodea el medio de regulacion de calor y la capa termicamente aislante.
Esta realizacion puede comprender una pantalla protectora dispuesta debajo de la carcasa, para proteger una porcion inferior de la carcasa frente a la energla solar reflejada, teniendo dicha pantalla protectora una abertura de pantalla protectora para permitir que la energla solar pase a traves de la pantalla protectora hacia la cavidad. Puede presentar un tapon extralble, que puede insertarse en la abertura o (si estan presentes) en las aberturas de pantalla protectora con un mecanismo de insertion de tapon opcional, para insertar y retirar el tapon. Puede comprender uno o mas termopares, para determinar una temperatura en una o mas ubicaciones dentro del captador solar. Puede comprender dos de entre la pantalla protectora, el tapon (opcionalmente con mecanismo de insercion) y uno o mas termopares, o todos ellos.
En un segundo aspecto de la presente divulgation se proporciona un dispositivo de captacion de energla solar, que comprende:
• un captador solar de acuerdo con el primer aspecto; y
• un concentrador de energla solar capaz de concentrar la energla solar, y dispuesto de manera que sea capaz de dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad.
Las siguientes opciones pueden utilizarse conjuntamente con el segundo aspecto, individualmente o en cualquier combination adecuada.
El concentrador de energla solar puede comprender al menos un reflector. Puede comprender un conjunto de reflectores. Puede comprender adicionalmente un dispositivo de seguimiento para desplazar el concentrador de energla solar, o una o mas partes del mismo, para dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad del mismo. El reflector puede ser un espejo. Puede ser un heliostato.
La abertura del captador solar puede estar dirigida hacia abajo. Los reflectores pueden estar situados a una altura inferior a la abertura. Pueden estar ubicados en el lado del captador solar. Pueden estar ubicados a un lado del captador solar, a una altura menor que el captador solar.
El captador solar puede montarse a una altura de entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 m por encima del suelo, o de entre aproximadamente 5 y aproximadamente 30 m. Puede montarse a una altura de al menos 15 m por encima del suelo. Puede comprender una estructura de soporte, por ejemplo, una torre sobre la que se monte el captador solar. La estructura de soporte puede comprender una torre. El captador solar puede estar montado sobre dicha torre por medio de al menos tres postes sustancialmente verticales, opcionalmente cuatro.
El concentrador solar puede comprender un conjunto de reflectores. El conjunto puede comprender un corredor que se corresponda con cada uno de los postes sustancialmente verticales. Los corredores pueden no tener reflectores en los mismos, de modo que el conjunto sea capaz de dirigir la energla solar concentrada entre los postes, y a traves de la abertura. El conjunto puede ser capaz de dirigir la energla solar concentrada entre los postes sin dirigir cantidades sustanciales de energla solar sobre los mismos. Esto sirve para evitar danos a los postes debido a la energla solar concentrada. Cada uno de los postes puede estar rodeado al menos parcialmente por un protector, para proteger dicho poste frente a los danos por la energla solar concentrada procedente del conjunto de reflectores. El protector puede comprender un aislante termico. Alternativa o adicionalmente puede tratarse o recubrirse el poste, de manera que se proteja el poste frente a los danos causados por la energla solar concentrada.
Al menos uno de los postes puede ser hueco. El fluido de transferencia de calor puede pasar a traves del poste hueco, hacia la tuberla de intercambio de calor del captador solar (si esta presente). El vapor (o fluido de transferencia de calor a alta temperatura, tal como agua) formado (o calentado) en la tuberla de intercambio de calor del captador solar (si esta presente) puede pasar a traves del poste hueco (preferentemente, a traves de un conducto dispuesto en el poste hueco). A traves del poste hueco pueden pasar conexiones electricas, para transportar una senal desde uno o mas termopares del captador solar hasta un controlador de modulo (si estan presentes).
El dispositivo de captacion de energla solar puede comprender un controlador de modulo, para controlar la operation del dispositivo de captacion solar. El controlador de modulo puede comprender el dispositivo de seguimiento descrito anteriormente. El controlador de modulo puede controlar al menos uno de entre:
(i) el movimiento del dispositivo de captacion solar, para dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad, si se requiere, o para ubicar el dispositivo de captacion solar, o al menos un reflector de dicho dispositivo de captacion solar, en una orientation de no captacion, si se requiere;
(ii) la insercion o extraction de un tapon (si esta presente) en la abertura, o en una abertura de pantalla protectora (si esta presente);
(iii) la entrada de agua en el captador; y
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(iv) la salida de agua caliente o vapor del captador.
El captador solar del dispositivo puede comprender al menos un termopar, para determinar una temperatura dentro del captador solar. Los termopares pueden estar configurados para proporcionar al controlador de modulo una senal relacionada con la temperatura, para controlar la operacion del dispositivo de captacion solar. Anteriormente se han descrito termopares adecuados.
El dispositivo de captacion de energla solar puede comprender un intercambiador de calor que este en contacto termico con el medio de regulacion de calor, opcionalmente en contacto directo con el mismo. El intercambiador de calor puede estar acoplado a un generador de electricidad, que pueda alimentarse mediante un fluido de transferencia de calor calentado, de manera que, en uso, la energla solar incidente sobre la abertura del concentrador se transmita en forma de calor a un fluido de transferencia de calor contenido en el intercambiador de calor, transfiriendose dicho fluido de intercambio de calor al generador de electricidad para generar electricidad. Alternativamente, si se requieren aplicaciones industriales de vapor y/o de agua caliente, el fluido de intercambio de calor puede transferirse a una ubicacion para que pueda utilizarse el mismo, por ejemplo, a una caldera. En esta memoria descriptiva, los terminos "fluido de intercambio de calor" y "fluido de transferencia de calor" pueden usarse indistintamente y debe interpretarse que ambos abarcan la misma gama de materiales.
Usando un intercambiador de calor, el vapor o el agua caliente pueden utilizarse para precalentar agua de caldera, pero un uso mas comun es el de generacion de vapor de proceso. Puede utilizarse un intercambiador de calor para producir vapor, para calentar o secar productos.
El dispositivo de captacion de energla solar puede comprender un circuito de fluido de transferencia de calor, que comprenda un primer intercambiador de calor en contacto termico con el medio de regulacion de calor, y un segundo intercambiador de calor externo al medio de regulacion de calor. El segundo intercambiador de calor puede configurarse de manera que, en uso, el fluido de transferencia de calor pase desde una salida del primer intercambiador de calor hasta una entrada del segundo intercambiador de calor. El segundo intercambiador de calor puede configurarse de manera que, en uso, el fluido de transferencia de calor pase desde una salida del segundo intercambiador de calor hasta una entrada del primer intercambiador de calor, de modo que el circuito de fluido de transferencia de calor sea un sistema de circuito cerrado. El segundo intercambiador de calor puede estar disenado para generar vapor.
El fluido de transferencia de calor puede ser agua, que, en uso, puede calentarse a una temperatura elevada y/o convertirse en vapor a medida que pase a traves del primer intercambiador de calor. El vapor puede condensarse para formar agua antes de volver a entrar en el primer intercambiador de calor. El dispositivo de captacion de energla solar puede comprender un purificador de agua, por ejemplo, un sistema de osmosis inversa y/o un desionizador, para purificar el agua antes de que dicha agua entre en el primer intercambiador de calor. El purificador de agua puede purificar el agua hasta una pureza de al menos aproximadamente un 99 %, o de al menos aproximadamente un 99,9 % sobre una base de peso/volumen, en algunos casos una pureza de hasta un 99,99999 %. Habitualmente, un sistema de osmosis inversa eliminara aproximadamente hasta el 98 % de los solidos disueltos. Si a esto le sigue un desionizador (intercambiador de iones), puede mejorarse el agua hasta aproximadamente 20 ppb de solidos disueltos.
El segundo intercambiador de calor puede acoplarse a un generador de electricidad o a una caldera para generar vapor y, en caso de que se produzca agua a alta temperatura, puede acoplarse a un dispositivo que regule la temperatura y la presion de dicha agua, para su uso en aplicaciones industriales. Puede disenarse para que genere vapor. Esto puede lograrse haciendo pasar agua a traves de un tubo del segundo intercambiador de calor.
Dicho segundo sistema de intercambiador de calor puede utilizar o no agua que no se haya purificado segun lo descrito anteriormente.
El dispositivo de captacion de energla solar puede proporcionar una salida de energla que no presente una calda mayor del 5 % cuando se bloquee la incidencia de energla solar, sobre el concentrador de energla solar, durante un periodo no superior a 1 minuto. Puede proporcionar una salida de energla que no presente una calda mayor del 10 % cuando se bloquee la incidencia de energla solar, sobre el concentrador de energla solar, durante un periodo no superior a aproximadamente 16 horas. El espesor del medio de regulacion de calor y/o la capacidad calorlfica del medio de regulacion de calor pueden ser tales que se cumplan los criterios anteriores. El dispositivo puede utilizarse para regular el tiempo durante el que podra utilizarse la energla solar para generar electricidad o para producir vapor, o agua caliente a alta temperatura, para fines industriales o de otro tipo.
En una realizacion se proporciona un dispositivo de captacion de energla solar, que comprende:
• un captador solar, que comprende:
■ un medio de regulacion de calor de grafito que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura;
■ una capa termicamente aislante que rodea al menos parcialmente el medio de regulacion de calor;
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■ un reborde, que comprende un material de reborde para altas temperaturas que rodea la abertura;
■ un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad;
■ una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace tope en la cavidad; y
■ un intercambiador de calor que esta en contacto termico con el medio de regulacion de calor, comprendiendo dicho intercambiador de calor una tuberla de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor; y
• un concentrador de energla solar que puede concentrar la energla solar, y que esta dispuesto de modo que pueda dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad.
En otra realizacion se proporciona un dispositivo de captacion de energla solar, que comprende:
• un captador solar, que comprende:
■ un medio de regulacion de calor de grafito que define una cavidad en el mismo y que tiene una abertura, que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura;
■ una capa termicamente aislante que rodea al menos parcialmente el medio de regulacion de calor;
■ un reborde, que comprende un material de reborde para altas temperaturas que rodea la abertura;
■ un dispositivo de captacion de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad;
■ una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace tope en la cavidad; y
■ un intercambiador de calor que esta en contacto termico con el medio de regulacion de calor, comprendiendo dicho intercambiador de calor una tuberla de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor; y
• un concentrador de energla solar que puede concentrar la energla solar, y que esta dispuesto de modo que pueda dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad, comprendiendo dicho concentrador una matriz de reflectores y un dispositivo de seguimiento para mover los reflectores de modo que dirijan la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar, y hacia la cavidad del mismo.
En otra realizacion se proporciona un dispositivo de captacion de energla solar que comprende:
• un captador solar de acuerdo con el primer aspecto;
• una torre sobre la que se monta el captador solar por medio de al menos tres postes sustancialmente verticales, opcionalmente cuatro;
• un concentrador de energla solar que puede concentrar la energla solar, y que esta dispuesto de manera que pueda dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura del captador solar y hacia dentro de la cavidad, comprendiendo dicho concentrador un conjunto de reflectores que presenta un pasillo sin reflectores, que se corresponde con cada uno de los postes sustancialmente verticales, de modo que el conjunto puede dirigir la energla solar concentrada entre los postes sin dirigir cantidades sustanciales de energla solar sobre los postes;
• un controlador de modulo, para controlar la operation del dispositivo de captacion solar.
En un tercer aspecto de la presente divulgation se proporciona un sistema de captacion de energla solar que comprende una pluralidad de captadores de energla solar, cada uno de acuerdo con el primer aspecto (como se ha descrito anteriormente), y al menos un concentrador de energla solar. Cada captador de energla solar esta dispuesto de manera que pueda recibir energla solar concentrada desde al menos un concentrador de energla solar.
Las siguientes opciones pueden utilizarse conjuntamente con el tercer aspecto, ya sea individualmente o en cualquier combination adecuada.
El sistema de captacion de energla solar puede comprender un unico concentrador de energla solar. El concentrador de energla solar puede disponerse de manera que sea capaz de dirigir la energla solar concentrada a la abertura de al menos uno de dichos captadores de energla solar, cuando la energla solar impacte sobre dicho concentrador de energla solar, opcionalmente a la abertura de cada captador (aunque no necesariamente de manera simultanea).
El concentrador de energla solar puede comprender un conjunto de reflectores solares.
El sistema de captacion de energla solar puede comprender una pluralidad de dispositivos de captacion de energla solar, estando cada uno de dichos dispositivos de acuerdo con el segundo aspecto (como se ha descrito anteriormente). Estos dispositivos pueden acoplarse, para generar una unica salida de energla del sistema.
Pueden conectarse en serie al menos algunos de los dispositivos de captacion de energla solar, opcionalmente
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todos. Al menos algunos pueden conectarse en paralelo, opcionalmente todos. En algunas realizaciones, algunos de los dispositivos de captacion solar se conectan en serie y algunos en paralelo.
El sistema de captacion de energla solar puede ser tal que cada dispositivo de captacion de energla solar este acoplado a un correspondiente generador de electricidad, separado, que pueda accionarse mediante un fluido de transferencia de calor calentado. Durante el uso, la energla solar incidente sobre el concentrador de energla solar de cada dispositivo de captacion de energla solar puede transmitirse en forma de calor al fluido de transferencia de calor, que se transfiere al correspondiente generador de electricidad para generar energla electrica, o para uso industrial u otro tipo de usos. Pueden combinarse la energla electrica de dichos generadores, o el vapor o el agua caliente a alta temperatura, para proporcionar la salida unica de energla del sistema.
El sistema de captacion de energla solar puede ser tal que todos los dispositivos de captacion de energla solar esten acoplados a un generador de electricidad, o a una salida de vapor o de agua caliente en el caso de vapor o agua caliente a alta temperatura para uso industrial. En uso, la energla solar incidente sobre el concentrador de energla solar de cada dispositivo de captacion de energla solar puede transmitirse en forma de calor al fluido de transferencia de calor, que se transfiere al generador de electricidad para generar energla electrica, o a una ubicacion de uso (por ejemplo, si incluye una caldera), en el caso de vapor o agua caliente a alta temperatura para uso industrial, que represente la salida unica de energla del sistema.
El sistema puede comprender adicionalmente un dispositivo de seguimiento, o mas de un dispositivo de seguimiento, para desplazar los concentradores de energla solar, o partes de los mismos, para dirigir la energla solar concentrada a traves de las aberturas de los captadores solares y hacia dentro de las cavidades de los mismos.
Cada dispositivo de captacion de energla solar del sistema puede comprender un circuito de fluido de transferencia de calor, que comprende un primer intercambiador de calor que esta en contacto termico con el medio de regulation de calor, y una tuberla externa de intercambio de calor que es externa al medio de regulacion de calor. La tuberla de intercambio de calor externa puede estar configurada de manera que, en uso, el fluido de transferencia de calor pase desde una salida del primer intercambiador de calor hasta una entrada de la tuberla de intercambio de calor externa, y desde una salida del segundo intercambiador de calor hasta una entrada de la tuberla de intercambio de calor externa, de modo que el circuito de fluido de transferencia de calor sea un sistema de circuito cerrado. Las tuberlas de intercambio de calor externas de los dispositivos de captacion de energla solar pueden formar parte de un intercambiador de calor del sistema, para transferir energla termica de los dispositivos de captacion de energla solar a un segundo fluido.
La tuberla de intercambio de calor externa puede estar acoplada a una turbina que, a su vez, este acoplada a un generador de electricidad (ca o cc) para generar electricidad, o a un dispositivo que utilice vapor o agua caliente (por ejemplo, una caldera) en el caso de vapor o agua caliente a alta temperatura para uso industrial. Puede estar acoplada a un generador de vapor (por ejemplo, una caldera) para convertir agua llquida en vapor. En algunos casos, se produce una mezcla de vapor y agua caliente a alta temperatura.
El agua a utilizar en un sistema de circuito cerrado debera tener una pureza muy elevada. Habitualmente se purifica por medio de un sistema de osmosis inversa. Luego se envla a un tanque de retention (tambien denominado tanque de condensado). En caso de que se requiera una cantidad adicional de agua de compensation (por ejemplo, para compensar las perdidas debidas a fugas menores, la evaporation, etc.), esta debera purificarse tambien, por ejemplo usando opcionalmente la osmosis inversa junto con un proceso de desionizacion, antes de anadir la misma al tanque de retencion.
En la generation electrica, el vapor utilizado en la turbina pasa en primer lugar a un condensador, que lo condensa para formar agua llquida, que se devuelve a continuation al tanque de condensado para su reutilizacion. En algunos casos puede pasar a traves de un sistema de dos intercambiadores de calor (uno en el captador solar y otro externo al mismo), si este es el medio deseado para gestionar la calidad del vapor de salida. En cualquier caso, el agua pasa por un condensador hasta el tanque de retencion para su reutilizacion. Antes de reutilizar la misma, poco despues de salir desde el tanque de condensado para regresar al primer intercambiador de calor, el agua puede pasar por un proceso de "pulido" para eliminar las impurezas acumuladas. Un proceso de pulido adecuado es un proceso de desionizacion.
En las aplicaciones industriales de vapor o agua caliente a alta temperatura, el sistema de intercambiador de calor interno del captador solar opera de la misma manera que se ha descrito anteriormente, sin embargo, el segundo intercambiador de calor puede utilizarse o no para el mismo proposito de generacion electrica o de control de calidad del vapor descrito anteriormente. El segundo intercambiador de calor puede estar situado en un sistema de caldera en el que se use agua caliente y/o vapor procedente del primer intercambiador de calor, para calentar el fluido de la caldera (que puede ser agua o algun otro fluido adecuado). El segundo intercambiador de calor puede estar situado en la caldera, y puede contener agua menos pura que la utilizada en el circuito cerrado y que pueda utilizarse, por ejemplo, para aplicaciones de proceso. Puede utilizarse en aplicaciones de alta presion. En los sistemas de la presente invention no se recupera dicha agua. El agua puede ser agua salada o algun otro tipo de agua de baja calidad. Sin embargo, la reutilizacion del primer tipo de agua del intercambiador de calor (es decir, el agua de alta
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pureza en el circuito cerrado) sera tal como se ha descrito anteriormente para un ciclo de generation electrica. En algunos casos, por lo tanto, el segundo fluido es agua, de modo que el sistema producira vapor en el segundo intercambiador de calor.
El sistema de captation de energla solar puede comprender un controlador de estacion, para controlar los dispositivos de captacion de energla solar y/o el/los concentrador/es de energla solar. El controlador puede acoplarse al/a los concentrador/es de energla solar, para aumentar o disminuir la entrada de energla solar total a los captadores de energla solar segun se requiera. Esto puede lograrse, por ejemplo, maniobrando uno o mas de los concentradores de energla solar.
En un cuarto aspecto de la presente divulgation se proporciona un procedimiento para captar y regular la energla solar, comprendiendo dicho procedimiento:
a) proporcionar un dispositivo de captacion de energla solar de acuerdo con el tercer aspecto; y
b) permitir que la energla solar incida sobre el concentrador de energla solar de dicho dispositivo;
concentrando de este modo dicha energla solar sobre el captador solar de dicho dispositivo, para calentar el medio de regulation de calor de dicho dispositivo.
Las siguientes opciones pueden utilizarse conjuntamente con el cuarto aspecto, ya sea individualmente o en cualquier combination adecuada.
El procedimiento puede comprender desplazar el/el concentrador/es de energla solar, o una parte del/de los mismo/s, por medio de un dispositivo de seguimiento para dirigir la energla solar a traves de la abertura del captador solar.
La (anterior) etapa a) puede comprender controlar el/los concentrador/es de energla solar, para dirigir la energla solar concentrada hacia la abertura. El/los concentrador/es de energla solar puede/n comprender un conjunto de reflectores, en cuyo caso la etapa de control puede comprender detectar una temperatura en una position dentro del captador de energla solar y, si es necesario, orientar al menos uno de dichos reflectores a una orientation de no captacion, con el fin de evitar que dicha temperatura supere un llmite superior predeterminado. El llmite superior puede predeterminarse con el fin de evitar danos a los materiales del captador de energla solar, puede predeterminarse para mejorar la eficacia del captador. El procedimiento puede comprender hacer pasar una senal relacionada con la temperatura desde uno o mas termopares, dispuestos en el captador de energla solar, hasta un controlador de modulo. Si es necesario, puede generarse una senal de control en dicho controlador de modulo y enviarse a uno o mas motores. Cada uno de los motores esta acoplado con uno de los reflectores, lo que permite controlar la orientacion de los reflectores.
El procedimiento puede comprender adicionalmente controlar el/los concentrador/es de energla solar de modo que dicho/s concentrador/es quede/n en una orientacion de no captacion, e insertar un tapon para impedir la perdida de calor desde la cavidad del captador de energla solar cuando no se desee captar energla solar. En el caso en el que el concentrador solar comprenda una pluralidad de reflectores, la orientacion no concentrada puede ser aquella en la que dichos reflectores esten en una orientacion sustancialmente horizontal. Esto minimiza la posibilidad de danos a los reflectores por rafagas de viento, cuando no esten en uso. El tapon puede insertarse en la abertura del captador de energla solar o en la abertura de pantalla protectora de la pantalla protectora (si esta presente).
El procedimiento puede comprender adicionalmente retirar el tapon para permitir que la energla termica concentrada entre en la cavidad, a traves de la abertura, y controlar el concentrador de energla solar de modo que dicho concentrador quede en una orientacion de captacion en la que se dirija la energla solar concentrada a traves de la abertura, hacia dentro de la cavidad, cuando desee captarse nuevamente la energla solar.
El procedimiento puede comprender hacer pasar un fluido de transferencia de calor a traves de la tuberla de intercambio de calor, dispuesta dentro del medio de regulacion de calor, para calentar dicho fluido de transferencia de calor. El fluido de transferencia de calor calentado puede hacerse pasar entonces hasta un segundo intercambiador de calor, para calentar un segundo fluido de transferencia de calor contenido en dicho segundo intercambiador de calor. El segundo fluido termico de transferencia de calor calentado puede utilizarse entonces para generar electricidad, o para generar vapor o agua caliente a alta temperatura.
El dispositivo de captacion de energla solar puede controlarse para generar vapor o agua caliente a alta temperatura, con una temperatura, presion y caudal sustancialmente constantes.
La tuberla de intercambio de calor y el segundo intercambiador de calor pueden formar partes de un circuito cerrado, de modo que se haga regresar el fluido de transferencia de calor desde el segundo intercambiador de calor hasta la tuberla de intercambio de calor. El fluido de transferencia de calor puede purificarse antes de devolver el mismo a la tuberla de intercambio de calor. La purification puede ser, por ejemplo, mediante intercambio ionico, etc. El fluido de transferencia de calor puede ser agua, que se convierta en vapor a medida que pase a traves de la tuberla de intercambio de calor y se condense en agua llquida antes de regresar a la tuberla de intercambio de calor.
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El medio de regulacion de calor puede mantenerse en una atmosfera de gas inerte. El gas inerte puede mantenerse a una presion ligeramente por encima de la presion atmosferica. El procedimiento puede comprender detectar una presion en el captador de energla solar y, si es necesario, ajustar la presion del gas inerte en dicho captador para mantener la presion en dicho captador dentro de un intervalo de presion predeterminado. En un ejemplo, el procedimiento comprende hacer pasar una senal relacionada con la presion desde un sensor de presion del captador de energla solar hasta un controlador de modulo, generar, si es necesario, una senal de control en respuesta a la senal relacionada con la presion y hacer pasar la senal de control (si se ha generado) hasta una valvula controlable, situada en una tuberla de gas que vaya desde un deposito del gas inerte hasta el captador de energla solar, para hacer que dicha valvula se abra durante un tiempo suficiente para que la presion en el captador de energla solar regrese al intervalo de presion predeterminado.
El dispositivo de captation de energla solar puede formar parte de un sistema de captation de energla solar, como se ha descrito anteriormente. El sistema puede tener una unica salida del sistema. La salida unica del sistema puede comprender tanto vapor, agua caliente a alta temperatura o energla electrica. El procedimiento puede comprender combinar las salidas de los dispositivos de captacion de energla solar de dicho sistema de captacion de energla solar, para formar la salida unica del sistema. Los dispositivos de captacion de energla solar de dicho sistema de captacion de energla solar pueden controlarse por medio de un controlador de estacion, capaz de conectar o desconectar uno o mas dispositivos segun sea necesario para obtener una calidad deseada de energla de salida del sistema. La conmutacion puede comprender hacer regresar el concentrador de energla solar del dispositivo a una orientation de no captacion. Puede comprender la insertion de un tapon. El sistema puede controlarse para obtener una calidad sustancialmente constante de la energla de salida del sistema. La calidad constante puede comprender una tension y una corriente constantes de una salida electrica, o una presion y temperatura constantes, y opcionalmente tambien el volumen y el caudal de una salida de vapor o de agua caliente a alta temperatura.
En un quinto aspecto de la presente divulgation se proporciona un procedimiento para generar electricidad, que comprende:
• proporcionar un dispositivo de captacion de energla solar de acuerdo con un segundo aspecto, en el que dicho dispositivo comprenda un intercambiador de calor en contacto termico con el medio de regulacion de calor, estando acoplado el intercambiador de calor a un generador de electricidad que puede accionarse mediante un fluido de transferencia de calor calentado;
• permitir que la energla solar incida sobre el concentrador de energla solar de dicho dispositivo, para calentar un fluido de transferencia de calor contenido en el intercambiador de calor del dispositivo; y
• hacer pasar el fluido de transferencia de calor calentado al generador de dicho dispositivo, para hacer que dicho generador convierta en electricidad la energla termica de dicho fluido de transferencia de calor calentado.
El procedimiento puede comprender desplazar el concentrador de energla solar, o una parte del mismo, por medio de un dispositivo de seguimiento para dirigir la energla solar a traves de la abertura del captador solar.
En un sexto aspecto de la presente divulgacion se proporciona el uso de un captador solar, o de un dispositivo de captacion de energla solar o de un sistema de captacion de energla solar para la generation de electricidad y/o de vapor. La generacion puede ser continua.
En un septimo aspecto de la presente divulgacion se proporciona una placa de medio de regulacion de calor, que tiene:
una cara superior y una cara inferior, siendo sustancialmente paralelas dichas caras superior e inferior, un borde de contacto del dispositivo de captacion de energla sustancialmente recto, situado entre dichas caras superior e inferior y sustancialmente ortogonal a las mismas; y
un borde exterior opuesto a dicho borde de contacto del dispositivo de captacion de energla, y sustancialmente ortogonal a dichas caras superior e inferior.
En la placa, cada una de las caras superior e inferior tiene al menos una ranura que se extiende por cada extremo hasta un borde de la placa, para aceptar una tuberla de intercambio de calor. Por ejemplo, puede comprender 1, 2, 3, 4, 5 o 6 ranuras. La/s ranura/s es/son aproximadamente paralelas al borde de contacto del dispositivo de captacion de energla. El borde de contacto del dispositivo de captacion de energla es contiguo a un borde inclinado, por cada extremo. Los bordes inclinados presentan un angulo de aproximadamente 45 grados con respecto al borde de contacto del dispositivo de captacion de energla, y son sustancialmente ortogonales a las caras superior e inferior.
La placa puede estar configurada de modo que puedan disponerse cuatro de dichas placas de tal manera que cada cara inclinada este orientada hacia un borde inclinado de una placa colindante, de tal manera que los bordes de contacto con el dispositivo de captacion de energla de las placas describan un cuadrado. El medio de regulacion de calor puede comprender grafito o partlculas de grafito embebidas en una matriz termicamente conductora. Tambien pueden utilizarse otros medios de regulacion de calor, como los descritos en otras partes del presente documento.
La placa puede presentar unas orejetas inclinadas en su extremo, para proporcionar un espesor de grafito alrededor de la cavidad receptora. La union de dos esquinas de 45 grados formara un medio convenientemente fuerte, para
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lograr una cubierta interior. La placa puede ser ahusada hacia la lengueta, por razones de resistencia mecanica. La lengueta puede ser vulnerable a la fractura, y el angulo obtuso minimizara el efecto de la concentracion de esfuerzos dado que el grafito es quebradizo.
En un octavo aspecto de la presente divulgacion, se proporciona un conjunto de placas que comprende una pluralidad de juegos de placas, comprendiendo cada juego de placas cuatro placas. Cada placa es como se ha descrito anteriormente (en el septimo aspecto). Las placas estan dispuestas de tal manera que los bordes de contacto con el dispositivo de captacion de energla de las placas describan un cuadrado. Por lo tanto, los juegos de placas definen un espacio interno que tiene cuatro caras rectangulares verticales. El conjunto de placas tambien comprende un dispositivo de captacion de energla, que comprende cuatro paneles rectangulares verticales, estando cada uno de dichos paneles en contacto termico con una de dichas caras rectangulares verticales y tuberla de intercambio de calor dispuestas en las ranuras de las placas.
El dispositivo de captacion de energla puede comprender una parte superior cuadrada, sujeta a un borde horizontal superior de los cuatro paneles verticales (o de cada uno de los cuatro paneles verticales), y al menos una placa de medio de regulacion de calor situada por encima la parte superior cuadrada y en contacto termico con la misma.
El conjunto de placas tambien puede comprender un colector de entrada y un colector de salida, estando cada uno en comunicacion fluida con la tuberla de intercambio de calor. En algunas realizaciones hay mas de un juego de tuberlas de intercambio de calor que se extienden entre los colectores de entrada y salida, puede haber por ejemplo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12, o mas de 12 juegos de tuberlas de intercambio de calor. Puede haber por ejemplo dos juegos cerca de cada cara del dispositivo de captacion de energla (es decir, un total de 8 juegos de tuberlas de intercambio de calor).
La placa mas inferior del juego de placas del conjunto puede descansar sobre un material termicamente aislante, que puede comprender una o mas capas de ladrillos ceramicos o baldosas ceramicas.
Puede haber espacios entre las placas de cada juego de placas (en particular, entre las caras inclinadas de las placas del mismo), para permitir la expansion termica del conjunto en uso.
En un noveno aspecto de la presente divulgacion se proporciona un procedimiento para preparar un captador solar. El procedimiento comprende proporcionar una tuberla de intercambio de calor, y montar entre dichas porciones de tuberla una pluralidad de placas de medio de regulacion de calor, de manera que el medio de regulacion de calor haga contacto con las cuatro caras verticales exteriores y con la parte superior del dispositivo de captacion de energla. La tuberla de intercambio de calor comprende una pluralidad de porciones de tuberla paralelas, dispuestas alrededor de un dispositivo de captacion de energla y montadas sobre una base. El dispositivo de captacion de energla comprende cuatro paneles rectangulares verticales, dispuestos en un cuadrado, y una parte superior cuadrada unida a un borde horizontal superior de los cuatro paneles verticales.
La etapa de montaje puede ser tal que se dispongan las porciones de tuberla paralelas dentro de unas ranuras, formadas en las caras de las placas de medio de regulacion de calor. Puede comprender deslizar las placas desde el lado, de modo que las porciones de tuberla paralelas queden dispuestas dentro de las ranuras. El montaje puede ser tal que una ranura semicircular de una de las placas quede orientada hacia una correspondiente ranura
semicircular de una placa adyacente, para formar un agujero cillndrico en el que quede dispuesta una porcion de
tuberla de la tuberla de intercambio de calor.
El procedimiento puede comprender adicionalmente fijar las placas en su posicion. Esto puede llevarse a cabo despues de montar las placas. El procedimiento puede comprender adicionalmente colocar un solido termicamente aislante alrededor del exterior del medio de regulacion de calor.
Puede comprender adicionalmente situar dentro de una carcasa el dispositivo de captacion de energla, las placas ensambladas y el solido termicamente aislante, y sellar dicha carcasa con un reborde inferior del dispositivo de captacion de energla. Puede acoplarse una fuente de gas inerte a la carcasa, para permitir la difusion del gas inerte a traves del solido termicamente aislante. El procedimiento puede comprender hacer pasar el gas inerte a traves de la carcasa, para cubrir el solido termicamente aislante y desplazar el oxlgeno contenido en el mismo.
El procedimiento puede comprender adicionalmente la etapa de insertar uno o mas termopares a traves de la
carcasa, en el medio de regulacion de calor, a traves de agujeros preformados en dicha carcasa y en el medio de
regulacion de calor.
Breve descripcion de los dibujos
A continuacion, se describira una realizacion preferida de la presente invencion, a modo de ejemplo unicamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una representacion esquematica de un captador, para su uso en el dispositivo de captacion de energla solar;
Las Figuras 2 y 2A son representaciones esquematicas de un dispositivo de captacion de energla solar de
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acuerdo con la presente invencion;
La Figura 3 muestra representaciones informaticas de sistemas de captacion de energla solar; y
La Figura 4 muestra una representacion esquematica de un sistema de captacion de energla solar;
La Figura 5 muestra un grafico de temperaturas de un captador solar, y de la insolacion del captador;
Las Figuras 6 a 9 son fotograflas de captadores solares como los descritos en el presente documento;
La Figura 10 muestra dibujos de una placa de material de regulacion de calor;
Las Figuras 11 a 16 muestran representaciones esquematicas de diferentes aspectos del captador solar;
Las Figuras 17 a 28 son fotograflas del captador y de porciones del mismo, tanto durante la construccion como
en su forma final; y
Las Figuras 28 y 29 ilustran aplicaciones de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se refiere a un captador solar, y a un dispositivo de captacion de energla solar que comprende un concentrador de energla solar y el captador solar. En particular, se refiere a la captacion de energla solar termica concentrada y al control del tiempo de transferencia de dicha energla termica a un sistema de intercambiador de calor, antes de su extraccion para el uso posterior de la misma. El concentrador y el captador pueden estar dispuestos de modo que la energla solar que incida sobre el concentrador se concentre en una zona de captacion del captador. La energla as! captada puede transferirse entonces desde el material de transferencia de calor, contenido en el captador, hasta un fluido de transferencia de calor contenido en el intercambiador de calor.
El medio de regulacion de calor puede ser un solido. Los solidos termorreguladores adecuados habitualmente presentan un alto contenido de carbono. Algunos materiales adecuados incluyen, por ejemplo, grafito, partlculas de grafito embebidas en una matriz termicamente conductora, tal como una matriz metalica (por ejemplo cobre, oro, aluminio, plata, mezclas o aleaciones de cualquiera de dos o mas de los mismos, etc.), hierro fundido (opcionalmente en forma de bloques), acero, aluminio, cobre, alumina, sllice, aluminosilicatos, carburo de silicio, nitruro de silicio, ladrillos refractarios, cromita, magnetita, hormigon refractario denso, o una mezcla de dos o mas de los mismos. Otros materiales adecuados incluyen oxidos metalicos tales como oxido de berilio, oxido de magnesio, oxido de calcio, oxido de estroncio, oxido de osmio, trioxido de lantano, trioxido de itrio, trioxido de escandio, dioxido de titanio, dioxido de circonio, dioxido de hafnio, pentoxido de tantalio, pentoxido de niobio, alumina, sllice, oxido de nlquel y otros materiales inorganicos tales como nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de boro, carburo de tantalio, carburo de titanio, carburo de tungsteno, carburo de circonio, nitruro de aluminio, boruro de circonio, espinela, mullita, forsterita, arcilla, dolomita, magnesita, porcelanas de alumina, porcelanas de alta magnesia, sillimanita, cianita, silicato de circonio y mezclas de cualquiera de dos o mas de los anteriores. El grafito puede ser de alta pureza, por ejemplo de al menos aproximadamente un 95 %, o al menos aproximadamente un 96, 97, 98, 99, 99,5, 99,9, 99,95 o 99,99 %, o entre aproximadamente un 95 y aproximadamente un 99,99 %, o entre aproximadamente un 95 y un 99,9 %, entre un 95 y un 99 %, entre un 99 y un 99,99 %, entre un 99,9 y un 99,99 %, entre un 99 y un 99,9 %, o entre un 99 y un 99,5 %, por ejemplo aproximadamente un 95, 96, 97, 98, 99, 99,1, 99,2, 99,3, 99,4, 99,5, 99,6, 99,7, 99,8, 99,9, 99,91, 99,92, 99,93, 99,94, 99,95, 99,96, 99,97, 99,98 o 99,99 %. Puede tener un bajo contenido de ceniza. El contenido de ceniza puede ser inferior a aproximadamente un 3 %, o inferior a aproximadamente un 2, 1,5, 1, 0,5 o 0,2 %. El medio de regulacion de calor debera tener una alta capacidad termica, por ejemplo por encima de 1 J.cm^.K'1, o al menos aproximadamente 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 o 1,5 J.cm^.K'1, o aproximadamente entre 1 y 5, entre 1 y 3, entre 1,5 y 5, o entre 1,5 y 3 J.cmAK'1, por ejemplo aproximadamente 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 o 1,5 J.cm'3.K'1. Tambien debera tener una alta conductividad termica, por ejemplo, al menos aproximadamente 100 W/m.K, o al menos aproximadamente 150 o 200 W/m.K, o aproximadamente 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 o 200 W/m.K. Tambien debera ser capaz de soportar temperaturas elevadas, tales como las presentes en el dispositivo durante su uso, sin presentar una degradacion o vaporizacion sustancial, opcionalmente sin presentar fusion o fracturacion. Debera ser capaz de soportar temperaturas de al menos aproximadamente 1000 °C, o de al menos aproximadamente 1500 o 2000 °C, capaz de soportar por ejemplo una temperatura de aproximadamente 1.000, 1.200, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1900, 2000, 2.100 o 2.200 °C sin presentar una degradacion o vaporizacion sustancial, opcionalmente sin presentar fusion o fracturacion. El medio de regulacion de calor puede tener forma de una capa. La capa puede tener un espesor de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 1500 mm, o de entre aproximadamente 10 y 1000 mm, entre 10 y 500 mm, entre 10 y 250 mm, entre 10 y 100 mm, entre 10 y 50 mm, entre 10 y 20 mm, entre 20 y 500 mm, entre 100 y 500 mm, entre 200 y 500 mm, entre 50 y 200 mm, entre 50 y 100 mm, entre 500 y 1500 mm, entre 1000 y 1500 mm, entre 500 y 100 mm, o entre 100 y 200 mm, por ejemplo un espesor de aproximadamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300 , 1400 o 1500 mm. En algunas realizaciones, el medio de regulacion de calor es un llquido. En este caso, los requisitos de capacidad termica descritos anteriormente siguen siendo aplicables, sin embargo, el medio de regulacion de calor puede presentar una conductividad termica inferior a la descrita anteriormente. El medio de regulacion de calor de un unico captador puede ser de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 20 toneladas o mas, o de entre aproximadamente 2 y 10 toneladas, de entre 2 y 5 toneladas, de entre 5 y 20 toneladas, de entre 10 y 20 toneladas o de entre 5 y 15 toneladas; por ejemplo, de aproximadamente 2, 3, 4, 5, 10, 15 o 20 toneladas. En algunos casos, en particular cuando el captador no esta situado sobre una torre, los captadores pueden tener una cantidad del medio de regulacion de calor superior a 20 toneladas, por ejemplo 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 toneladas. El peso total del captador puede ser de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 30 toneladas, o
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de entre aproximadamente 10 y 20 toneladas, de entre 20 y 30 toneladas o de entre 10 y 15 toneladas, por ejemplo, aproximadamente 10, 15, 20, 25 o 30 toneladas. Para medios de regulacion termica mas grandes, el peso total sera correspondientemente mayor. Para soportar el peso del captador (y los postes que soportan el captador sobre la torre) debera ser suficiente una torre, y sus soportes, incluso ante una carga elevada por viento.
Un medio de regulacion de calor de uso comun que puede utilizarse en la presente invention es el grafito. Puede ser grafito sintetico. Puede fabricarse con coque de petroleo. El grafito se produce de manera natural como grafito en escamas, y consiste en una sucesion de capas de atomos de carbono enlazados en una estructura cristalina plana y hexagonal, de capas laminares de manera similar a la mica. Este producto generalmente no se procesa para formar bloque de grafito, sino que se utiliza para fabricar artlculos como toberas y crisol.
En la formation de grafito sintetico, por ejemplo, para su uso en la presente invencion, un procedimiento adecuado implica calentar brea de petroleo para eliminar los compuestos volatiles y formar coque de petroleo. Este coque de petroleo calcinado se tritura y se clasifica por tamano. El grano clasificado se recombina entonces en relaciones establecidas con brea llquida caliente. Esto se mezcla en una pasta y luego se extruye o se prensa, para crear bloques de forma y tamano deseados. Los bloques redondos, como los electrodos, habitualmente se extruyen, mientras que los bloques rectangulares habitualmente se prensan. Hay muchos tipos de proceso de prensado, pero el tipo de bloque de grafito que se usa en la presente invencion habitualmente se prensa por vibration. La idea del prensado por vibracion es eliminar los defectos que se producirlan si no se empleara vibracion en el proceso de prensado. Los granos en la mezcla pueden desplazarse para permitir que el aire atrapado escape, y para ayudar a la consolidation. Estos bloques se calientan luego con gas hasta una temperatura de entre aproximadamente 1200 °C y 1300 °C, para eliminar los compuestos volatiles y para cocer los bloques en horno. A continuation, los bloques se enfrlan y despues se impregnan al vaclo con brea llquida caliente. A continuacion, vuelven a cocerse en horno los bloques para eliminar los volatiles de la brea.
Comienza as! el proceso de grafitizacion. El ciclo habitualmente dura 100 horas para los bloques grandes, tales como los que se utilizan en la presente invencion. La transition a grafito se produce a una velocidad mas rapida a medida que aumenta la temperatura. A partir de aproximadamente 1500 °C ya se produce una debil grafitizacion, y los bloques utilizados en la presente invencion habitualmente se calientan al menos a 2400 °C aproximadamente, hasta un maximo de aproximadamente 2800 °C. Los bloques solo se mantienen a la temperatura maxima durante aproximadamente 1 a 2 horas, ya que a temperaturas elevadas el proceso de grafitizacion se produce rapidamente. Cuanto mayor sea la temperatura de grafitizacion, mejor orden presentara la estructura cristalina y menor sera la resistencia electrica. Con una resistencia electrica mas baja, aumenta la conduction termica del grafito. La desventaja para el producto es que, con una menor resistividad electrica, la resistencia mecanica del bloque disminuye. La temperatura de grafitizacion resulta vital para las propiedades flsicas que presentara el grafito.
El medio de regulacion de calor de la presente invencion define una cavidad o camara. Dicho de otra forma, el captador solar comprende un regulador de calor que define una cavidad, en el que el regulador de calor comprende o consiste esencialmente en el medio de regulacion de calor. El regulador de calor tiene una abertura que comunica con la cavidad, para que la energla solar incidente en la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura. De esta manera la energla solar puede calentar el regulador de calor. Puede absorberse parcialmente la radiation solar que entra en la cavidad, para calentar el regulador de calor y reflejar parcialmente la misma. La parte reflejada puede reflejarse de manera que impacte sobre una parte diferente del regulador de calor, y pueda as! absorberse y reflejarse parcialmente de nuevo. De este modo, multiples reflexiones resultaran en la absorcion efectiva de una mayor parte de la energla solar incidente, de manera que solo una pequena parte escapara a traves de la abertura. Solo se escapara aproximadamente el 20 % de la energla incidente, o menos de entre aproximadamente un 10 y un 5 %, el resto se absorbera para calentar el regulador de calor.
El medio de regulacion de calor puede proporcionarse en una sola portion o monolito, o puede proporcionarse en mas de una section. Estas secciones pueden estar en contacto termico entre si, al menos parcialmente. Las secciones pueden estar dispuestas de modo que permitan su expansion termica sin causar danos flsicos al captador solar. En algunas realizaciones en las que el medio de regulacion de calor tiene la forma de un cubo, que presenta una cavidad cubica en el mismo, el medio de regulacion de calor puede comprender una serie de secciones trapezoidales que encajen entre si para crear la forma cubica general (opcionalmente junto con otras secciones conformadas, por ejemplo, secciones cuadradas). El medio de regulacion de calor puede estar en capas. Esto puede facilitar la construction del captador solar (o del regulador de calor). Por lo tanto, puede resultar conveniente transportar el medio de regulacion de calor, y otras porciones del captador solar, a la ubicacion en la que vaya a emplazarse el sistema y montarlos entre si en dicha ubicacion para formar el regulador de calor. Proporcionar un medio de regulacion de calor en capas (o porciones de capas) tambien puede facilitar la fabrication, en particular puede facilitar la instalacion del intercambiador de calor en el captador solar. Por lo tanto, las tuberlas de intercambio de calor, o porciones de las mismas, pueden montarse alrededor de una capa del medio de regulacion de calor, o una porcion de una capa, y estas capas o porciones pueden montarse entonces entre si cuando se construya el captador solar, de tal manera que las tuberlas de intercambio de calor queden embebidas al menos parcialmente en el medio de regulacion de calor, para facilitar el intercambio de calor eficiente entre el medio de regulacion de calor y un fluido de intercambio de calor contenido en las tuberlas de intercambio de calor. En particular, el medio de regulacion de calor puede tener la forma de una pluralidad de placas. Estas placas pueden tener un espesor de entre aproximadamente 20 y aproximadamente 200 mm, o de entre aproximadamente 20 y 150 mm, de entre 20 y
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El captador solar puede tener forma general de cubo, o de paraleleplpedo rectangular, o de cilindro, o de esfera o de poliedro (por ejemplo, un dodecaedro, icosaedro, icosidodecaedro, triacontaedro, etc.), o alguna otra forma. Puede tener una seccion transversal redonda, cuadrada, rectangular, pentagonal, hexagonal o con alguna otra forma adecuada. Puede tener una seccion transversal de altura constante, o puede tener una seccion transversal de altura variable. La abertura puede ser redonda, cuadrada, rectangular, pentagonal, hexagonal, o de alguna otra forma adecuada. La cavidad puede tener forma de cubo, o de paraleleplpedo rectangular, o de cilindro, o de esfera, o de poliedro o alguna otra forma. Puede tener una seccion transversal redonda, cuadrada, rectangular, pentagonal, hexagonal, o de alguna otra forma adecuada. Puede tener una seccion transversal de altura constante, o puede tener una seccion transversal de altura variable.
El medio de regulacion de calor puede tener una unica cavidad en el mismo, o puede tener mas de una cavidad en el mismo, por ejemplo 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 cavidades, o mas de 10 cavidades. En caso de que haya mas de una cavidad, cada una de las mismas puede estar separada de las otras por el medio de regulacion de calor, o por algun otro tipo de material de separacion. Alternativamente al menos dos de las cavidades pueden estar conectadas internamente al captador mediante un paso de conexion. El paso de conexion puede contener aire en el mismo, o puede contener un gas inerte, por ejemplo, nitrogeno, helio, neon, argon, dioxido de carbono, o algun otro gas inerte. En el presente contexto, el termino "inerte" se refiere a la caracterlstica de que el gas no reacciona sustancialmente con el medio de regulacion de calor a la temperatura maxima de operacion del captador solar. En algunas realizaciones, la cavidad (o cada una de las cavidades) tiene una unica abertura que comunica con la misma, permitiendo que la energla solar incidente en la abertura entre en la cavidad a traves de la abertura. En otras realizaciones la cavidad (o al menos una de las cavidades) tiene mas de una abertura (por ejemplo, 2, 3, 4, 5 o mas de 5) que comunica con la misma, permitiendo que la energla solar incidente sobre las aberturas entre en la cavidad a traves de las aberturas. Habitualmente, aunque no necesariamente, la/s abertura/s y la/s cavidad/es esta/n orientada/s para reducir o minimizar la perdida de calor por conveccion desde el captador solar. Por esta razon, es habitual que las aberturas no se comuniquen con la superficie superior del medio de regulacion de calor, puesto que el aire caliente que asciende desde una abertura situada sobre una superficie superior facilitarla la perdida de calor. Una abertura puede comunicarse con una superficie lateral. Puede comunicarse con una superficie inferior. Puede comunicarse con un borde y/o esquina inferior del medio de regulacion de calor. Una abertura situada en una superficie lateral puede comunicarse con una cavidad que se extienda hacia arriba, para atrapar parcialmente el gas calentado e impedir la perdida de calor debida a los gases calentados que fluyan fuera de la cavidad. Una cavidad puede presentar una superficie reflectante inclinada, para restringir o impedir una nueva irradiacion de la energla solar que entra en la cavidad.
Independientemente de lo anterior, en algunas realizaciones el medio de regulacion de calor esta situado sobre la superficie del suelo, o cerca de la misma, opcionalmente enterrado al menos parcialmente en el suelo. En tales casos, puede resultar conveniente contar con una abertura en una superficie superior del medio de regulacion de calor, y/o en un borde y/o esquina superior del mismo. En tales casos, puede resultar conveniente contar con una ventana de transmision de energla solar (por ejemplo, de cuarzo) situada en la abertura, para restringir las perdidas por conveccion. Una ventaja de tal configuracion es que resulta mas conveniente y seguro colocar un captador solar grande y pesado sobre el suelo, o cerca del mismo, en lugar de en una posicion elevada, tal como sobre una torre. Esto tambien permite construir un captador solar mas grande, ya que no hay necesidad de construir una torre de
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soporte. En tales casos, pueden disponerse uno o mas reflectores de manera que puedan reflejar la energla solar procedente de un concentrador de energla solar, a traves de la abertura y hacia dentro de la cavidad. Puede disponerse un reflector directamente encima de la abertura, o pueden disponerse varios reflectores inclinados con respecto a una llnea vertical que ascienda desde la abertura. Este/estos reflector/es puede/n ser plano/s o puede/n ser concavo/s, para enfocar adicionalmente en la cavidad la energla solar incidente. Este/estos reflector/es puede/n soportarse sobre una o mas torres.
En algunas realizaciones de captadores solares situados sobre el suelo, la abertura puede ser redondeada, por ejemplo, esferica o con forma de gota. Esto puede servir para impedir una nueva irradiacion de la energla solar absorbida.
El captador solar puede emplear un tapon que cierre la abertura de la cavidad del receptor, cuando los heliostatos no esten siguiendo. El tapon puede estar construido con materiales capaces de resistir la temperatura alcanzada en la cavidad receptora. El tapon podra sellar completamente la cavidad, o podra sellar solamente aproximadamente un 95 % (o aproximadamente un 99, 98, 97 o 96 %) de la abertura de la cavidad receptora. En caso de que la abertura este orientada hacia arriba, el tapon podra sellar aproximadamente el 100 % de la abertura.
El controlador de estacion puede tener conectado uno o mas sensores meteorologicos que descargaran, entre otras entradas de datos meteorologicos, datos sobre la radiacion directa normal (DNI). La DNI es una medida absoluta de la cantidad de energla disponible en los campos de heliostatos, procedente del sol. El controlador de estacion puede utilizar el nivel de DNI para determinar cuando debera comenzar el seguimiento del campo de heliostatos, y enviar una senal a los heliostatos (o a los controladores de modulo que, a su vez, podran enviar una senal a los heliostatos) para situar algunos de ellos, o todos ellos, en una orientacion de captacion (es decir, para activarlos). Una vez activado el seguimiento, puede monitorizarse continuamente el DNI para asegurar que la energla suministrada a la cavidad receptora por los heliostatos sea la adecuada. Si el DNI cae, por ejemplo, debido a nubosidad excesiva o a un cambio en el clima, el controlador de estacion puede instruir al/a los controlador/es de modulo para que estacionen algunos los heliostatos, o todos ellos, es decir, para hacerlos regresar a una orientacion de no captacion, y para cerrar la abertura de la cavidad del receptor con el tapon (si todos los heliostatos estan estacionados).
El seguimiento del campo de heliostatos puede iniciarse de manera progresiva. Los heliostatos situados en el oeste del campo pueden activarse por la manana, para que se ocupen del bajo angulo del sol. Los heliostatos situados en el este del campo pueden activarse una vez que el sol este suficiente alto como para que las imagenes producidas por estos heliostatos puedan capturarse en la cavidad receptora. Los heliostatos situados en el oeste del campo habitualmente son los primeros en estacionarse al final del dla, dado que el angulo entre el sol, el heliostato y la cavidad del receptor pasa a ser demasiado grande. Los heliostatos situados en el este del campo habitualmente son los ultimos en estacionarse al final del dla, dado que el sol presenta una elevacion ventajosa para los mismos.
Con el concentrador de energla solar se enfoca la energla solar en la abertura del captador solar. A medida que entra en la abertura, la energla solar debera tener un diametro maximo del punto focal del haz que no sea mas ancho que la abertura, siendo preferentemente mas estrecho. El concentrador puede enfocar el punto focal del haz de energla solar en la abertura, o cerca de la misma. El punto focal puede estar a unos 300 mm de la abertura, o a unos 250, 200, 250 o 100 mm de la abertura, y puede estar dentro de la cavidad o fuera de la cavidad. Habitualmente, dado que la energla solar entra en un angulo con forma de haz circular, emitira en la abertura una seccion transversal ellptica del haz. Puede tener una relacion de aspecto de entre aproximadamente 1,5 por aproximadamente 3, o de entre aproximadamente 1,5 a 2,2 por 3 o 1,8 por 2,5, habitualmente de aproximadamente 2.
En ciertas realizaciones de la invencion el captador solar tiene la capacidad de absorber energla de otras fuentes que no sean energla solar. Por ejemplo, puede calentarse a traves de calentamiento resistivo por medio de una o mas resistencias embebidas en el medio de regulation de calor. La/s resistencia/s puede/n aislarse electricamente con respecto al medio de regulacion de calor, particularmente en aquellos casos en los que dicho medio sea termicamente conductor (por ejemplo, grafito, metales, o combinaciones de los mismos). La corriente electrica para la resistencia puede obtenerse a partir de una fuente renovable, tal como energla eolica. Por lo tanto, una turbina eolica, situada por ejemplo en la parte superior del captador solar, podrla ser suficiente para calentar el medio de regulacion de calor, o calentarlo al menos parcialmente, en ausencia de una entrada de energla solar. La turbina eolica puede proporcionar hasta 10-500 kW de energla o mas, por ejemplo, dependiendo del diseno de la turbina y de la velocidad y direction del viento. Esta option permite continuar la entrada de energla al captador solar en aquellos momentos en los que no haya un flujo de energla solar suficiente, por ejemplo, en dlas nublados o por la noche. La entrada no solar puede controlarse mediante un controlador de modulo para el captador solar. Esto puede reducir la entrada no solar, si es necesario, para evitar el sobrecalentamiento del medio de regulacion de calor.
El medio de regulacion de calor puede tener la forma de una concha. Define una cavidad interna y la cavidad comunica con el exterior a traves de una abertura. La abertura y/o la cavidad pueden tener, de manera independiente, una sustancia de transmision de energla en su interior. Algunas sustancias de transmision de energla adecuadas pueden ser gases, por ejemplo, aire, nitrogeno, argon, helio, dioxido de carbono o mezclas de los mismos. Adicional o alternativamente, en algunas realizaciones tambien puede haber sustancias solidas y/o llquidas de transmision de energla, por ejemplo, cuarzo. Por ejemplo, la abertura puede contar con una ventana de cuarzo.
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Esto puede resultar util en aquellos casos en los que se desee contener un gas inerte (por ejemplo, nitrogeno) en la cavidad. La ventana puede adoptar la forma de una lente. En este caso, la lente podra distribuir la energla solar que incida sobre la misma, procedente del concentrador de energla solar, para que impacte sobre una mayor porcion del captador de energla solar dentro de la cavidad. Puede ser una lente convexa. Puede ser una lente planoconvexa. Puede ser de alguna otra forma adecuada. En el caso de que haya presente una ventana o lente en la abertura, podra sellar o no sellar la abertura. El sellado tiene la ventaja de que se preserva la atmosfera dentro de la cavidad, sin embargo, la ausencia de sellado evita la acumulacion de presion debido a la expansion termica de los gases contenidos en la cavidad. Sin embargo, en muchas realizaciones la cavidad y la abertura contienen aire, y estan abiertas a la atmosfera. En la Fig. 1 se muestra una forma adecuada para el medio de regulacion de calor, que se describe en detalle mas adelante en la presente memoria. El medio de regulacion de calor puede tener un espesor de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 1500 mm, o un espesor de entre aproximadamente 10 y 1000 mm, de entre 10 y 500 mm, de entre 10 y 250 mm, de entre 10 y 100 mm, de entre 10 y 50 mm, de entre 10 y 20 mm, de entre 20 y 500 mm, de entre 100 y 500 mm, de entre 200 y 500 mm, de entre 50 y 200 mm, de entre 50 y 100 mm, de entre 500 y 1500 mm, de entre 1000 y 1500 mm, de entre 500 y 100 mm, o de entre 100 y 200 mm, por ejemplo un espesor de aproximadamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 o 1500 mm. El espesor del medio de regulacion de calor puede depender del uso previsto del dispositivo captador. El medio de regulacion de calor sirve para almacenar la entrada de energla solar, de manera que pueda hacerse frente a reducciones o interrupciones cortas en el suministro de energla solar al dispositivo, sin que se produzca una calda en la salida de energla del dispositivo o la calda sea leve. En algunas realizaciones tales interrupciones son del orden de segundos o minutos, por ejemplo, debido al paso de una nube entre el sol y el concentrador. En otras realizaciones tales interrupciones son del orden de horas, por ejemplo, debido a largas tormentas, o a la franja nocturna. El dispositivo de captacion de energla solar puede proporcionar una salida de energla que no caiga mas de aproximadamente un 20 %, o no mas de aproximadamente un 10, 5, 2 o un 1 %, cuando se bloquee la energla solar incidente sobre el concentrador durante un periodo no superior a 1 minuto aproximadamente, o no superior a 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 minutos aproximadamente. Puede proporcionar una salida de energla que no caiga mas de un 25 % aproximadamente, o no mas de aproximadamente un 20, 15, 10 o un 5 % cuando se bloquee la energla solar incidente sobre el concentrador durante un periodo no superior a 2 horas aproximadamente, o no superior a 5, 10, 12, 14, 16, 18 o 20 horas aproximadamente. Cuanto mas grueso sea el medio de regulacion de calor, mayor sera su masa termica y, por consiguiente, mas tiempo podra soportar la interrupcion en la entrada de energla sin sufrir una interrupcion importante en la produccion de energla. El bloqueo de la entrada de energla puede ser representativo de la franja nocturna (que supondra un bloqueo prolongado), por ejemplo, o puede ser representativo del paso de una nube u otro obstaculo entre el sol y el concentrador de energla solar, o una parte del mismo, lo que supondra un bloqueo de menor duracion. En este ultimo caso, la energla solar aun podra alcanzar el concentrador, pero quizas no pueda enfocarse la misma en el captador debido a su naturaleza difusa (no direccional). Una instalacion habitual puede comprender multiples modulos de heliostato (concentradores de energla solar) y modulos de regulacion (captadores solares), de manera que se aumente el tiempo durante el que podra accionarse el dispositivo de captacion de energla general al tiempo que se mantenga la salida requerida. Asl, el medio de regulacion de calor, el captador solar, el dispositivo de captacion de energla solar y el sistema de captacion de energla solar son capaces de regular el tiempo durante el que podra emplearse la energla solar para generar electricidad, o para generar vapor.
En algunas aplicaciones sera necesaria la produccion de vapor sobrecalentado. En algunos casos, este podra generarse en un unico dispositivo de captacion de energla solar, tal como se describe en el presente documento. Sin embargo, para lograr este objetivo en algunos casos podrla ser preferible utilizar dos o mas de tales dispositivos, en serie. Por ejemplo, puede utilizarse un primer dispositivo para calentar el agua, para generar agua a alta temperatura. Esta podra utilizarse entonces a modo de fluido de entrada para un segundo dispositivo, que puede convertir el agua a alta temperatura en vapor. Este podra utilizarse a modo de fluido de entrada para un tercer dispositivo, en el que se sobrecaliente el vapor para generar vapor sobrecalentado. En algunos casos, esto puede lograrse con dos dispositivos en serie - un primer dispositivo para generar vapor y un segundo dispositivo para sobrecalentar el vapor.
El captador comprende un dispositivo de captacion de energla en la cavidad interna, para aumentar la captacion de energla solar. El dispositivo de captacion de energla puede comprender acero inoxidable, o alguna otra sustancia termica apropiada que pueda tolerar (es decir, que no se degrade qulmica o flsicamente, o se funda o se evapore) a la temperatura de operacion del dispositivo, por ejemplo, de hasta aproximadamente 1000 °C, o de hasta aproximadamente 1500 o 2000 °C, por ejemplo, de aproximadamente 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100 o 2200 °C. El dispositivo de captacion de energla puede tener un espesor de entre aproximadamente 1 y 10 mm, o un espesor de entre aproximadamente 1 y 5 mm, de entre 1 y 2 mm, de entre 2 y 10 mm, de entre 5 y 10 mm, de entre 2 y 8 mm, o de entre 4 y 7 mm, por ejemplo, de aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 mm. Puede tener la forma de una capa de la sustancia termicamente conductora, situada sobre la pared de la cavidad. Puede cubrir una porcion de la pared de la cavidad, o puede cubrir sustancialmente toda la pared de la cavidad. Puede cubrir al menos aproximadamente el 50 % del area de la cavidad, o al menos aproximadamente el 60, 70, 80, 90 o 95 % de la misma. Puede haber una capa protectora entre el dispositivo de captacion de energla y la cavidad interna. La capa protectora puede estar situada sobre la superficie del dispositivo de captacion de energla. Puede cubrir una porcion de la superficie del dispositivo de captacion de energla, o puede cubrir sustancialmente toda su superficie. Puede cubrir al menos aproximadamente el 50 % de la superficie del dispositivo
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de captacion de energla, o al menos aproximadamente el 60, 70, 80, 90 o 95 % del mismo. Puede tener un espesor de entre aproximadamente 1 y 200 micras, o un espesor de entre aproximadamente 1 y 100 micras, de entre 1 y 50 micras, de entre 1 y 20 micras, de entre 10 y 200 micras, de entre 50 y 200 micras, de entre 100 y 200 micras, de entre 50 y 100 micras, de entre 5 y 20 micras, de entre 50 y 150 micras, o de entre 100 y 150 micras, por ejemplo un espesor de aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130 , 140, 150, 160, 170, 180, 190 o 200 micras. Los materiales adecuados para un revestimiento superficial (capa protectora) sobre el dispositivo de captacion de energla incluyen cualquier revestimiento superficial resistente a altas temperaturas. El dispositivo de captacion de energla habitualmente esta en contacto termico y/o flsico con el medio de regulacion de calor. El revestimiento superficial puede ser cualquier material termico, ignlfugo o de plasma, tal como un metal (por ejemplo, aluminio, cromo, cobalto, nlquel, o una aleacion de cualquiera de los mismos), un oxido (por ejemplo, alumina, cromia, circonia, o una combinacion de dos o mas de estos materiales), un carburo, o un nitruro (por ejemplo, nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de tungsteno o una combinacion de dos o mas de los mismos). El revestimiento superficial puede comprender la combinacion de dos o mas de las anteriores clases de materiales. Puede comprender metales, ceramicas y/o cerametales (un compuesto que comprende ceramica y metal). El revestimiento superficial puede tener una sola capa, o puede tener multiples capas (por ejemplo, 2, 3, 4 o 5 capas). Cada una de las capas puede estar de acuerdo con lo descrito anteriormente, de manera independiente.
El dispositivo de captacion de energla puede tener una superficie o revestimiento absorbente de energla. El revestimiento o superficie puede ser negro. Puede ser perfilado. Puede comprender una pluralidad de proyecciones conformadas y dispuestas de modo que reduzcan la reflexion de la radiacion, para aumentar la absorcion de la radiacion solar incidente. Las proyecciones pueden ser microproyecciones. Pueden tener una longitud de entre aproximadamente 0,1 y 20 micras, o de entre aproximadamente 0,5 y 20 micras, de entre 1 y 20 micras, de entre 5 y 20 micras, de entre 0,1 y 10 micras, de entre 0,1 y 5 micras, de entre 0,1 y 1 micras, de entre 0,5 y 5 micras, de entre 1 y 5 micras, o de entre 1 y 10 micrometros, por ejemplo de aproximadamente 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 , 17, 18, 19 o 20 micras.
Asl, en una realization, el captador tiene una forma de concha en capas que rodea una cavidad, comunicandose
dicha cavidad con el exterior a traves de una abertura. La capa adyacente a la cavidad puede ser un revestimiento superficial o capa protectora resistente a altas temperaturas. Detras del revestimiento superficial, y en comunicacion flsica y termica con el mismo, hay una capa de captacion de energla. Detras de la capa de captacion de energla, y en comunicacion termica y flsica con la misma, hay un medio de regulacion de calor. Habitualmente, el medio de regulacion de calor conformara el grueso (es decir, mas del 50 % del volumen) del captador. Habitualmente, alrededor del medio de regulacion de calor habra una capa aislante.
El intercambiador de calor puede comprender una tuberla de intercambio de calor, que puede tener la forma de uno o mas tubos de intercambio de calor. La tuberla de intercambio de calor esta en contacto termico con el medio de
regulacion de calor, opcionalmente embebida en el mismo. El diametro interno de la tuberla debera estar
dimensionado de manera que tenga capacidad para la transferencia de calor deseada. Puede tener un diametro interno de entre 0,5 y 5 cm, o un diametro interno de entre aproximadamente 0,5 y 2 cm, de entre 0,5 y 1 cm, de entre 1 y 5 cm, de entre 2 y 5 cm, o de entre 1 y 3 cm. La tuberla debera estar fabricada con un material que no se degrade, ablande o funda a la temperatura de operation del dispositivo. La tuberla debe estar situada al menos a unos 10 mm de la superficie que recibe la energla solar desde el concentrador, o al menos a unos 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 1000 mm de la misma. Esto asegura la presencia de suficiente material de transferencia de calor entre la tuberla de transferencia de calor y la superficie receptora (capa protectora y/o dispositivo de captacion de energla), para proporcionar el efecto de almacenamiento requerido. Por lo tanto, cuanto mayor sea el almacenamiento de energla requerido (vease mas arriba), debera permitirse una mayor distancia entre la tuberla de transferencia de calor y la superficie receptora. La tuberla debera tener un fluido de transferencia de calor en la misma. Los fluidos de transferencia de calor adecuados son termicamente estables a la temperatura de operacion del dispositivo, y preferentemente tendran una elevada capacidad termica. Habitualmente, el fluido de transferencia de calor utilizado en la presente invention es agua. En uso, el agua se calienta y podra volatilizarse para formar vapor, que podra utilizarse como fuente de energla, por ejemplo, para un generador de electricidad. En caso de que se utilice agua a modo de fluido de transferencia de calor, podra ser agua con una elevada pureza, con el fin de minimizar la deposition de escamas cuando se volatilice. Puede tener una pureza de al menos aproximadamente un 99 %, o una pureza de al menos aproximadamente un 99,5 %, 99,9 %, 90-95 %, 99,99 %, 99,995 % o un 99,999 %. Puede purificarse antes de que entre en el intercambiador de calor. Las tecnicas comunes de purification, tales como la osmosis inversa, ultrafiltracion, microfiltracion, intercambio ionico, etc., son bien conocidas. Otros fluidos de transferencia de calor adecuados incluyen cualquier fluido organico o inorganico capaz de soportar las temperaturas de operacion requeridas. Algunos ejemplos incluyen bifenilo, oxido de bifenilo (eter difenllico), fluido de silicona (por ejemplo, polidimetilsiloxano), terfenilos parcialmente hidrogenados, fluidos de dibencilo tolueno, alquilbencenos, diarilalquil difeniletano, alquilaromaticos, eteres de diarilo y triarilmetanos, asl como fluidos compuestos similares o relacionados o combinaciones de dos o mas de los anteriores. Algunos ejemplos particulares son: terfenilo modificado, una mezcla de hidrocarburos sinteticos, un compuesto aromatico sustituido por un alquilo, una mezcla de isopropil bifenilo, una mezcla de aromaticos sinteticos, terfenil/quaternfenilo, una mezcla de fenilciclohexano/biciclohexilo en proportion 90:10, y una mezcla eutectica de oxido de bifenilo/difenilo (DPO). Muchos de estos se comercializan, y tambien pueden utilizarse otros productos similares en la presente aplicacion.
Resulta preferible que una capa termicamente aislante rodee el medio de regulacion de calor, al menos
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parcialmente. Esto reduce las perdidas termicas desde el captador durante la operacion. La capa aislante puede comprender un solido termicamente aislante, que tenga poros y/o huecos. Preferentemente, los poros y/o huecos contendran un gas inerte o no oxidante en su interior, tal como nitrogeno, helio, argon, neon, o una mezcla de cualquiera de dos o mas de los mismos. La presencia de tal gas servira para reducir la oxidacion a altas temperaturas del dispositivo de transferencia de calor, de los tubos de transferencia de calor, del material aislante, etc. Los materiales aislantes adecuados pueden soportar las temperaturas de operacion del dispositivo. Incluyen cualquier material fibroso o poroso o con partlculas de ceramico. Pueden incluirse tubos y valvulas para suministrar el gas al aislamiento y, opcionalmente, para eliminar el gas del aislamiento. Asl, el gas puede fluir a traves del aislamiento. Alternativamente, puede efectuarse un sellado en el aislamiento. En algunas realizaciones, la capa termicamente aislante comprende al menos un vaclo parcial con el fin de aislar el medio de regulacion de calor. En este caso, puede mantenerse a una presion absoluta inferior a 0,1 atmosferas aproximadamente, o inferior a 0,05, 0,02, 0,01, 0,005, 0,002 o 0,001 atmosferas aproximadamente. La atmosfera de la contencion (es decir, en la capa termicamente aislante) puede mantenerse a una presion ligeramente superior a la presion atmosferica, de manera que un fallo en el sello de contencion resulte en un flujo de salida del gas de la atmosfera de contencion, en lugar de resultar en la entrada de aire. La exclusion de oxlgeno protege contra la corrosion los componentes para altas temperaturas del captador solar. El captador solar esta provisto de una valvula de entrada, para permitir la entrada del gas protector, y de una valvula de escape para descargar el gas si la presion de contencion se eleva por encima de los llmites de diseno. El equilibrio entre la admision del gas protector y el escape de la atmosfera de contencion puede conseguirse mediante la monitorizacion de la presion de contencion, y mediante el uso de esta senal para permitir que el sistema de control establezca las posiciones de entrada y de escape de la valvula. El gas protector (es decir, inerte) puede mantenerse en la capa aislante y, tambien opcionalmente, en el medio de regulacion de calor, opcionalmente tambien en el dispositivo de captation termica.
El captador solar puede comprender una carcasa, que rodee el material de regulacion de calor. La carcasa puede sellarse contra el dispositivo de captacion de energla para formar un recinto sustancialmente estanco a gases, que rodee el medio de regulacion de calor y, si esta presente, la capa de aislamiento termico. Debe comprenderse que, en la practica, la carcasa (que esta dispuesta alrededor del exterior del captador solar) no formara un sistema completamente sellado en combination con el dispositivo de captacion de energla (que habitualmente recubre la superficie interior de la abertura y la cavidad), y que pueden producirse fugas menores. Por esta razon, el sistema de gas inerte mantiene el gas inerte dentro del recinto del dispositivo de captacion de energla/carcasa ligeramente por encima de la presion atmosferica, de manera que las posibles fugas se produzcan fuera del recinto en lugar de dentro del recinto. Si se introdujera aire en el recinto, podrla entrar en contacto con el medio de regulacion de calor. En el caso de que dicho aire comprenda carbono o un material carbonoso (por ejemplo, grafito), esto podrla causar oxidacion a la temperatura de operacion del captador, dando lugar a la perdida y/o degradation del medio de regulacion de calor. Otros medios de regulacion de calor adecuados, tales como el carburo de silicio, pueden requerir igualmente una protection contra el oxlgeno. Asl, en una disposition de uso habitual, cuando se detecta en el recinto una presion inferior a un umbral predeterminado, se abrira una valvula conectada a la fuente de gas inerte para introducir una breve rafaga de flujo de gas inerte en el recinto. Esto sera suficiente para elevar la presion por encima del umbral predeterminado, momento en el que se cerrara la valvula de nuevo. Un procedimiento alternativo, aunque menos preferido, es mantener un flujo de gas inerte constante y muy bajo dentro del recinto, suficiente para mantener la presion en el interior dentro de un intervalo deseado.
La abertura del captador puede estar rodeada por un reborde que comprenda un material de reborde para altas temperaturas. Este material sirve para proteger y contener el material de transferencia de calor. Debera ser capaz de resistir las altas temperaturas de operacion del dispositivo, y preferentemente sera un aislante termico. Algunos materiales adecuados incluyen carburo de silicio y tejidos a base de alumina, tungsteno, molibdeno, alumina, circonia, circonio, aluminosilicatos, opcionalmente en forma fibrosa o espumada, y mezclas de cualquiera de dos o mas de los mismos.
Debajo de la carcasa puede estar situada una pantalla protectora separada, para proteger la superficie inferior de la carcasa contra la energla termica, lo cual puede ser util en aquellos casos en los que la focalizacion de la radiation solar desde el concentrador de energla solar no sea suficiente para dirigir toda la energla solar hacia la abertura. La pantalla protectora debera tener una abertura de pantalla protectora cuyo tamano sea al menos igual que el de la abertura que conduce a la cavidad, y estar alineada con la misma, para permitir que la energla solar concentrada entre en la cavidad. Una pantalla protectora adecuada tendra forma troncoconica, con un angulo muy pequeno con respecto a la horizontal, representando la portion decapitada del cono la abertura de la pantalla protectora. Habitualmente, el angulo sera de entre aproximadamente 1 y 15 grados, o de entre aproximadamente 1 y 10 grados, de entre 5 y 10 grados, de entre 10 y 15 grados, de entre 7 y 12 grados, de entre 1 y 5 grados, de entre 1 y 3 grados, de entre 3 y 7 grados, de entre 5 y 7 grados, o de entre 3 y 5 grados, por ejemplo, de aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 o 15 grados. La distancia entre la pantalla protectora y la porcion inferior de la carcasa puede ser de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 50 cm en su punto mas cercano, o de entre aproximadamente 2 y 20 cm, de entre 2 y 10 cm, de entre 2 y 5 cm, de entre 5 y 10 cm, de entre 5 y 20 cm, de entre 20 y 50 cm, o de entre 10 y 40 cm, por ejemplo de aproximadamente 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50 cm. Puede ser suficientemente grande para permitir un flujo de aire razonable entre la carcasa y la pantalla protectora, para evitar el sobrecalentamiento de la carcasa. Puede ser suficientemente pequena para que no interfiera sustancialmente con la focalizacion de la energla solar en la abertura. Puede tener rebordes, habitualmente
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rebordes radiales. Estos ayudan a fortalecer la pantalla protectora. Tambien pueden servir para mejorar la perdida de calor de la pantalla protectora, para mantenerla a una temperatura tan baja como sea posible. La pantalla protectora puede fabricarse, por ejemplo, con acero, por ejemplo, acero dulce. Puede tener un aislamiento termico sobre la misma. El aislamiento termico puede ser por ejemplo un aislamiento de fibra ceramica, o algun otro aislamiento adecuado. Puede tener un espesor de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 mm (o de entre aproximadamente 10 y 50 mm, de entre 10 y 20 mm, de entre 50 y 100 mm, o de entre 40 y 80 mm, por ejemplo, un espesor de aproximadamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 mm), o mas grueso si es necesario.
En algunos casos puede haber una pantalla protectora interior, que se extienda hasta aproximadamente el nivel superior del soporte que soporta el medio de regulation de calor. Como se describe en otra parte del presente documento, el medio de regulacion de calor puede soportarse, por ejemplo, con ladrillos ceramicos. Es preferible que la energla solar no incida sobre el dispositivo de captation de energla en un punto adyacente a estos ladrillos. De este modo, una pantalla protectora interior puede proteger el dispositivo de captacion de energla en esta zona. La pantalla protectora interior puede ser, por ejemplo, de acero inoxidable. Puede tener un aislamiento termico sobre la misma. El aislamiento termico puede ser, por ejemplo, como el descrito anteriormente en la pantalla protectora. Puede haber un espacio entre la pantalla protectora interior y el dispositivo de captacion de energla. El espacio puede ser de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 50 cm en su punto mas cercano, o de entre aproximadamente 2 y 20 cm, de entre 2 y 10 cm, de entre 2 y 5 cm, de entre 5 y 10 cm, de entre 5 y 20 cm, de entre 20 y 50 cm, o de entre 10 y 40 cm, por ejemplo, de aproximadamente 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50 cm. Esto permite el movimiento de aire entre la pantalla protectora interior y el dispositivo de captacion de energla, para reducir el calentamiento del dispositivo de captacion de energla en esta zona. La pantalla protectora interior puede estar inclinada hacia dentro, hacia su portion inferior. En algunos casos, la pantalla protectora interior sera contigua a la pantalla protectora situada debajo de la abertura, para formar una unica pantalla protectora que proteja tanto la porcion inferior del captador como una porcion inferior del dispositivo de captacion de energla.
El concentrador puede comprender una lente. Puede comprender un reflector. Puede comprender una pluralidad de lentes. Puede comprender una pluralidad de reflectores. Puede comprender un conjunto de reflectores. En el caso de que el concentrador comprenda una pluralidad de reflectores o una pluralidad de lentes, todos ellos pueden tener aproximadamente el mismo punto focal, o pueden estar dispuestos de manera que reflejen y/o focalicen la luz hacia la misma zona. Pueden estar dispuestos de manera que reflejen y/o focalicen la luz hacia la cavidad del captador. El reflector, o cada uno de los mismos, puede ser un espejo plano o puede ser un reflector concavo. Puede ser (cada uno de ellos puede ser independientemente) un reflector concavo esferico o parabolico, por ejemplo.
El dispositivo puede comprender un dispositivo de seguimiento, para desplazar el concentrador para proporcionar energla solar concentrada en el captador. Tales dispositivos de seguimiento son conocidos. Puesto que el sol cambia de position durante el transcurso del dla, resulta ventajoso que el concentrador se desplace de manera correspondiente de modo que, cuando la energla solar incida sobre el concentrador, se dirija la misma hacia el captador. El dispositivo de seguimiento puede comprender un detector, para detectar el angulo del sol. Puede comprender uno o mas motores para desplazar el concentrador. Puede comprender un procesador para determinar, a partir del angulo del sol detectado por el detector, el/los angulo/s requerido/s para que el concentrador dirija la energla solar al captador (es decir, hacia la abertura del mismo). El procesador puede generar una o mas senales dependientes de dicho/s angulo/s determinado/s del concentrador, y enviar dicha/s senal/es al uno o mas motores para hacer que los motores desplacen el concentrador, para dirigir la energla solar hacia la abertura del captador.
En algunas realizaciones el dispositivo de seguimiento puede desplazar el concentrador hasta una posicion adecuada, para suministrar la energla solar concentrada a la abertura del receptor, empleando calculos predeterminados en funcion de la posicion pronosticada del sol. En tales realizaciones el dispositivo de seguimiento puede comprender un procesador (por ejemplo, un ordenador) para calcular, a partir de una posicion pronosticada del sol (que incluya el amanecer diario), la posicion requerida del concentrador. El procesador tambien puede ser capaz de predecir la posicion del sol para calcular la posicion requerida del concentrador. El procesador tambien puede medir la tasa de insolation de un dla a otro, y a partir de esos datos calcular el numero de concentradores que sera necesario activar de un dla a otro, para lograr las necesidades de salida de energla deseadas de un sistema. Tales calculos tendran en cuenta las variaciones estacionales de las tasas de insolacion.
La posicion de los espejos puede ajustarse sobre la base de un algoritmo que prediga la posicion del sol, en un momento dado del dla para la posicion geografica particular. Cada heliostato, o espejo de seguimiento solar, tiene su propia trayectoria individual. Esta trayectoria de seguimiento puede programarse en el controlador de cada poste de heliostato. El controlador de modulo puede instruir a los heliostatos para que sigan al comienzo de su ciclo operativo, y para que se estacionen (es decir, que regresen a una orientation de no captacion) al final del ciclo operativo. Alternativamente, la trayectoria de seguimiento de cada heliostato puede incorporarse en el controlador de modulo con las instrucciones de control emitidas centralmente.
El controlador de modulo tambien puede instruir a los heliostatos para que se estacionen, por ejemplo, para que se desplacen a una posicion casi horizontal, si la velocidad del viento aumenta por encima de un nivel preestablecido. Esto evita danos en los heliostatos en caso de altas velocidades del viento.
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Los heliostatos toman como objetivo el centro de la abertura situada en la base del captador solar, y suministran la energla solar dentro de la cavidad. La temperatura de la interfaz entre la cavidad y el medio de regulacion de calor puede medirse por medio de una serie de termopares, que pueden insertarse a traves del medio de regulacion de calor en la superficie del dispositivo de captacion de energla, en la pared de la cavidad. Si la temperatura del medio de regulacion de calor aumenta por encima del nivel de diseno (por ejemplo, aproximadamente 800 °C) entonces el controlador de modulo puede enviar instrucciones de seguimiento a un numero (por ejemplo, alrededor de incrementos del 10 % del campo) de heliostatos, para que focalicen en un punto (por ejemplo, del cielo) alejado del captador solar. Si la temperatura continua subiendo, entonces el controlador de modulo puede enviar instrucciones de seguimiento a mas heliostatos para que tambien se alejen del captador solar. El controlador de modulo puede repetir este ciclo hasta que se obtenga el control y la temperatura deje de subir.
Una ventaja de enviar instrucciones de seguimiento a los heliostatos para que focalicen en una posicion del cielo es que, si surge la necesidad, puede devolverse los mismos rapidamente al modo operativo.
El controlador de modulo puede predecir las horas de salida y/o puesta del sol (o pueden programarse en el mismo). Esto permite al controlador de modulo enviar senales a algunos de los heliostatos, o a todos ellos, para que se preparen para el comienzo de la insolacion al amanecer, o para que inicien la captacion de energla solar una vez que el sol haya alcanzado una elevacion adecuada, por ejemplo, aproximadamente 1 hora despues del amanecer, cuando la tasa de insolacion sea suficientemente elevada. Tambien puede permitir que el controlador de modulo envle senales a los heliostatos para que regresen a las orientaciones de no captacion cuando cese la insolacion, al ponerse el sol.
El captador puede montarse por encima del suelo. Puede montarse a una altura de entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 m por encima del suelo, o al menos aproximadamente a 15 m o al menos aproximadamente a 20 m por encima del suelo, o entre aproximadamente 5 y 10 m, entre 5 y 7 m, entre 7 y 20 m, entre 10 y 20 m, entre 15 y 20 m, entre 10 y 15 m, o entre 8 y 12 m por encima del suelo, por ejemplo aproximadamente a 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 o 50 m por encima del suelo. Esto resulta particularmente conveniente en aquellos casos en los que el concentrador comprende reflectores. En este caso, los reflectores pueden situarse cerca del suelo y el captador puede montarse a una altura suficiente para que la energla solar reflejada de todos los reflectores pueda dirigirse eficazmente hacia el captador, en particular de manera que uno o mas concentradores no proyecten sombras sobre uno o mas concentradores. El dispositivo de captacion de energla solar puede comprender una estructura de soporte, sobre la que se monte el captador. La estructura de soporte puede ser una torre, o un pedestal, puntal o poste. Debera ser suficientemente fuerte como para soportar el peso del captador, incluso bajo condiciones de fuerte viento.
El intercambiador de calor del captador solar puede acoplarse a un generador de electricidad de manera que, en uso, la energla solar incidente sobre el concentrador se convierta en energla electrica. El generador de electricidad puede ser una turbina. Puede ser una turbina accionada por vapor. La turbina de vapor puede operar con presiones de agua/vapor de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 200 bar (o de entre 10 y 50 bar, o de entre 50 y 100 bar, o de entre 20 y 80 bar, o de entre 20 y 50 bar, o de entre 50 y 80 bar, o de entre 100 y 200 bar, o de entre 50 y 150 bar) y temperaturas de hasta aproximadamente 600 °C. Una turbina de gas operara a temperaturas mas altas de hasta 1100 °C a presiones mas bajas. Asl, en la Fig. 2 se ilustra un dispositivo de acuerdo con la presente invencion. En referencia a la Fig. 2, se aplican las siguientes numeraciones: 21 es un conjunto de heliostatos; 22 es una torre/bloque de grafito; 23 es una isla de potencia de turbina de vapor y generador; 24 es un transformador y una conexion de red; y 25 es una planta de tratamiento de acumulador/agua. Por lo tanto, la energla solar incide sobre un concentrador (conjunto 21 de heliostatos), que concentra la energla solar termica en la abertura del captador (torre/bloque de grafito 22) para su distribucion dentro del captador. Esta energla termica se mantiene entonces en el medio de regulacion durante breves periodos de tiempo (segundos, minutos), si su funcion de la de reserva para hacer frente a las fluctuaciones naturales de la entrada de energla de modo que no fluctue la salida del intercambiador de calor, o durante largos periodos de tiempo (horas, dlas) si su funcion es la de regulacion para la disponibilidad de energla bajo demanda. La energla termica calienta entonces un fluido de transferencia de calor, que se hace pasar luego hasta un generador de electricidad (isla de potencia turbina de vapor-generador 23). La electricidad generada por el generador 23 puede hacerse llegar a un transformador para la red electrica (24). Desde la planta 25 de tratamiento de agua se proporciona agua pura (o al menos agua con una alta pureza) al captador 22, a modo de fluido de transferencia de calor.
Aunque un modulo de captador solar y heliostatos puede producir vapor sobrecalentado, un sistema de captacion de energla solar habitualmente comprende una serie de tales modulos, conectados en serie o en paralelo, o como una combinacion de estas disposiciones. En la Fig. 2A se amplla el concepto representado en la Fig. 2, para ilustrar como puede operar un sistema representativo.
Con respecto a la Fig. 2A, se aplica la siguiente numeracion:
31: deposito de agua purificada;
32: bomba de agua de alimentacion;
33: captador estandar;
34: captador estandar (que se usa para el sobrecalentamiento);
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35: bomba de atemperacion de agua;
36: turbina de vapor;
37: generador;
38: transformador;
39: condensador refrigerado por aire.
La velocidad de produccion del vapor depende de la diferencia de temperatura entre un bloque regulador (es decir, el medio de regulacion de calor) y el fluido de transferencia de calor contenido en la tuberla de intercambio de calor. Si la energla del captador se ha agotado o se ha descargado (desde el intercambiador de calor) y, de forma simultanea, no se produce una entrada de energla al captador solar, entonces debera disminuirse el caudal del fluido de transferencia de calor para mantener la calidad del vapor producido. Dado que habitualmente el sistema cuenta con varios captadores solares, cualquier perdida de rendimiento de uno o mas captadores puede compensarse poniendo en uso mas captadores.
En un momento dado, la temperatura no sera la misma en todas las areas dentro de los captadores y no todos los captadores presentaran la misma temperatura media y, por lo tanto, mediante la programacion apropiada del sistema de control pueden ponerse en uso bloques reguladores (captadores) adecuados, para mantener las condiciones de salida de vapor requeridas.
Una disposicion adecuada de captadores solares, que se muestra en la Fig. 2A, comprende una serie de captadores conectados en paralelo (por ejemplo, los captadores 33) y luego combinados en serie (por ejemplo, los captadores 33 y 34), y despues comprende la salida de los grupos resultantes conectada en paralelo con un colector comun 34M. Esta disposicion esta disenada para proporcionar redundancia al sistema en su conjunto.
Asl, en el sistema 30 de la Fig. 2A se proporciona el deposito 31 como fuente de agua purificada para los captadores del sistema. La bomba 32 esta acoplada a la salida del deposito 31, y proporciona agua al colector 33M de entrada. El colector 33M de entrada esta acoplado a una serie de modulos. Estos pueden presentar una construccion similar, como se indica en la Fig. 2A, o pueden presentar diferentes construcciones. En la Fig. 2A, cada modulo comprende dos captadores 33 de acuerdo con la invencion, cuyos intercambiadores de calor estan conectados en paralelo al colector 33M. Las salidas de los colectores 33 estan acopladas, para poder dirigir su salida combinada directamente al colector 34M de salida o bien a la entrada del intercambiador de calor del colector 34. Puede proporcionarse una valvula (no mostrada) para dirigir la salida de los colectores 33, segun se desee. La salida del colector 34 esta acoplada al colector 34M. El colector 34M de salida esta acoplado a la turbina 36 de vapor, que esta acoplada al generador 37 de electricidad que, a su vez, esta acoplado al transformador 38. Se proporciona una bomba de atemperacion 35 para extraer agua desde el deposito 31, calentada o no calentada, para combinarla con agua caliente o vapor del colector 34M. El condensador 39 se proporciona para condensar el vapor de la turbina 36. En la Fig. 2A, cada uno de los modulos se muestra con dos captadores 33 en paralelo. En la practica, pueden ser mas captadores (por ejemplo, 3, 4, 5, o mas de 5) o puede ser un unico captador 33. De manera similar, en la Fig. 2A se muestra que cada modulo presenta un solo captador 34, sin embargo, en la practica puede haber mas de un captador (por ejemplo, 2, 3, 4 o 5) conectados en paralelo. Las valvulas de los diferentes modulos, que dirigen la salida de los modulos 33 ya sea al colector 34M o al captador 34, pueden controlarse de manera individual. Los diversos componentes del sistema, que en particular incluyen estas valvulas y la bomba de atemperacion 35, pueden controlarse mediante un sistema de control (que comprenda, por ejemplo, un ordenador o un controlador logico programable o PLC), que no se muestra en la Fig. 2A.
Asl, durante la operation del sistema 30 se bombea agua purificada desde el deposito 31 hasta el colector 33M, por medio de la bomba 32. Desde el colector 33M, el agua pasa hacia los intercambiadores de calor de los captadores 33, donde recibe la energla termica de los medios de regulacion de calor de los mismos para generar un flujo de agua o vapor caliente. Esto se dirige a continuation al colector 34M de salida, ya sea directamente o tras pasar primero a traves del intercambiador de calor del captador 34, para calentar adicionalmente el agua/vapor. El resultado de esto es que el agua y/o el vapor a alta temperatura pasa al colector 34M. En algunos casos, la temperatura de dicho vapor sera superior a la deseada para la operacion eficiente de la turbina 36. En este caso, puede combinarse el agua no calentada del deposito 31 con el vapor en el colector 34, por medio de la bomba de atemperacion 35. De esta manera, se utiliza vapor a la temperatura optima para operar la turbina 36, que acciona el generador 37 para generar electricidad que pasa al transformador 38, antes de que se dirija la misma segun sea necesario para el uso. Despues de su uso en la turbina 36, el vapor pasa hacia el condensador 39, que de manera adecuada puede ser un condensador enfriado por aire, para condensar el vapor y formar agua llquida que se almacenara en el deposito 31, para su reutilizacion. En algunos casos puede proporcionarse un purificador (no mostrado) en la llnea, para eliminar los contaminantes del agua que puedan haberse introducido durante el proceso anterior antes de devolver el agua purificada al deposito 31. Resulta obvio claro que pueden proporcionarse valvulas de regulacion de presion en varios puntos a traves del sistema 30, para controlar la presion del vapor en el sistema. Esto permite controlar el estado del agua/vapor segun se desee.
Esta disposicion puede ponerse en uso para producir vapor a la presion operativa de la turbina de vapor o, alternativamente, puede elevarse la presion de agua de alimentation de manera que los modulos 33 produzcan agua que este por encima de 100 °C, y este proxima a su temperatura de ebullition a dicha presion. A continuacion, puede reducirse la presion en el fluido resultante, antes de que entre en el intercambiador de calor del tercer captador 34 del grupo. Cuando se reduce la presion, el llquido hierve vigorosamente (es decir, se volatiliza
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rapidamente) y se produce un fluido binario que consiste en agua y vapor calentados Este fluido binario se introduce entonces en el intercambiador de calor del captador 34, para producir vapor sobrecalentado para su uso en un proceso o para accionar una turbina de vapor.
Cada uno de los captadores del sistema 30 puede tener termopares embebidos en el medio de regulacion de calor del mismo. Esto permite al sistema de control determinar cual sera la temperatura de salida del captador particular. En una configuracion representativa que se muestra en la Fig. 2A, dos o mas captadores 33 y 34 estan conectados en paralelo y/o en serie y, por lo tanto, si la temperatura del medio de regulacion de calor es alta, entonces el sistema de control predecira los parametros para el fluido resultante y establecera la presion operativa del intercambiador de calor, ya sea a baja presion para producir vapor o a presion elevada para producir agua caliente. Si se produce vapor, entonces este fluido puede enviarse al colector 34M de vapor para su mezcla con la salida de los grupos en paralelo. El vapor de salida del colector 34M de vapor puede atemperarse, si es necesario, mediante la pulverizacion de agua en la tuberla de vapor por medio de la bomba 35, para lograr las condiciones de vapor requeridas para el vapor de proceso o para la turbina 36 de vapor. Mediante la programacion apropiada del sistema de control puede mantenerse un nivel deseable de operacion combinada de la serie de captadores requeridos, de la temperatura del vapor y de la calidad del vapor (temperatura, presion) que requieren el proceso o la turbina 36 de vapor.
Puede combinarse una pluralidad de dispositivos de captacion de energla solar como los anteriormente descritos, en un sistema de captacion de energla solar. En un sistema de este tipo, los dispositivos estan acoplados de manera que generen una unica salida de energla del sistema. La Fig. 3 muestra representaciones informaticas de dicho sistema.
Los dispositivos de captacion de energla solar pueden conectarse en serie. Por lo tanto, el fluido de transferencia de calor puede pasar desde un primer dispositivo hasta un segundo dispositivo y, opcionalmente, a dispositivos posteriores. En cada dispositivo se transfiere mas energla al fluido de transferencia de calor, aumentando de este modo su temperatura o haciendo que se volatilice, o ambas cosas. De este modo, el fluido de transferencia de calor que sale del dispositivo final tendra una gran cantidad de energla, y sera adecuado para la generation eficiente de electricidad o para otro uso. A continuation, puede hacerse llegar el mismo a un generador de electricidad o a alguna otra aplicacion para el fluido de transferencia de calor caliente. En la Fig. 4 se ilustran dos sistemas de este tipo. En el sistema 40 de la Fig. 4, unos dispositivos 42a a 42c estan conectados en serie. Cada dispositivo 42 comprende un concentrador solar 44 (que comprende multiples reflectores), que esta enfocado sobre un correspondiente captador 46 (es decir, el 44a sobre el 46a, el 44b sobre el 46b y el 44c sobre el 46c). Una fuente 48 de agua (por ejemplo, un deposito) proporciona agua al sistema, y se proporciona un purificador 50 para purificar el agua de la fuente 48. Los purificadores adecuados son bien conocidos y pueden comprender, por ejemplo, uno o mas elementos de purification por osmosis inversa, microfiltracion, ultrafiltracion, adsorcion por carbon activado, intercambio ionico, floculacion/sedimentacion y otros elementos de purificacion conocidos. Una salida 52 proporciona vapor de proceso a un dispositivo capaz de usar el mismo. Asl, en uso, se hace pasar el agua procedente de la fuente 48 al purificador 50, donde se purifica hasta alcanzar un nivel de pureza deseado. La energla solar incide sobre los concentradores 44 y se hace llegar a los captadores 46, calentando asl un medio de regulacion de calor contenido en los captadores 46 a una temperatura de operacion deseada. A medida que el agua del purificador 50 pasa secuencialmente a traves de los captadores 46c, 46b y 46a, se va calentando para generar vapor a una temperatura y presion deseadas. Dicho vapor sale del sistema 40 a traves de la salida 52, segun se requiera.
De manera similar, el sistema 60 comprende unos dispositivos 62a a 62c conectados en serie. Cada dispositivo 62 comprende un concentrador solar 64 (que comprende multiples reflectores), enfocado sobre un correspondiente captador 66 (es decir, el 64a sobre el 66a, el 64b sobre el 66b, y el 64c sobre el 66c). Se proporciona un purificador 70 para purificar el agua del sistema. Anteriormente se han descrito purificadores adecuados. El generador 72 se proporciona para generar electricidad a partir del vapor procedente de los dispositivos 62, y se proporciona una llnea 74 para transferir la electricidad generada hasta un destino adecuado. Se proporciona un condensador 76 para condensar el vapor procedente del generador 72, antes de la purificacion del mismo. Asl, en uso, el agua del purificador 70 pasa al captador 66c. Desde los reflectores 64a a 64c se refleja la energla solar, calentando asl los captadores 66a a 66c hasta su temperatura de operacion, habitualmente superior a 600 °C. A medida que el agua pasa a traves del intercambiador de calor del captador 66c, se va calentando y el agua calentada se hace llegar hasta el captador 66b, donde se calienta adicionalmente. Luego pasa al captador 66a, donde recibe su energla de entrada final. En alguna de las etapas de este proceso de calentamiento (dependiendo de factores tales como el volumen de fluido, el caudal de fluido, la energla solar incidente, el numero y la eficiencia de los reflectores, etc.), el agua se convertira en vapor y se sobrecalentara el mismo. El vapor sobrecalentado resultante pasara al generador 72, donde se utilizara para generar electricidad que se emitira desde el sistema, a traves de la llnea 74. El vapor se condensa en un condensador 76, y se hara regresar al purificador 70 para eliminar cualquier impureza que pueda haberse introducido en el agua. El agua purificada resultante se devolvera entonces a los dispositivos 62a, 62b, 62c, como se ha descrito anteriormente. En la Fig. 4 solo se muestran tres captadores en serie, sin embargo, resultara evidente que pueden utilizarse otras cantidades de captadores, ya sea en paralelo o en serie, o en una combination de los mismos.
Asl, en una disposition alternativa, los dispositivos estan conectados en paralelo. En este caso, puede hacerse
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llegar agua a cada captador, y el agua (o el vapor) calentados resultantes pueden combinarse y suministrarse a un unico generador, para generar electricidad, o a otro dispositivo adecuado para utilizar el agua o el vapor calentados. En esta disposicion es importante que los dispositivos sean eficientes a la hora de calentar el fluido de transferencia de calor, ya que cada dispositivo debera elevar por si solo la temperatura del fluido de transferencia de calor a la temperatura de uso.
La Fig. 5 es una grafica del modulo de prueba de los inventores, en el que la insolacion solar se mide como insolacion incidente sobre una superficie horizontal, y demuestra la accion de regulation del sistema. Este grafico compara la respuesta a la insolacion de dos de los termopares en los bloques reguladores. Un termopar esta en la interfaz entre el medio de regulacion de calor y el dispositivo de captation de energla, mientras que el otro esta situado adyacente a las tuberlas del intercambiador de calor. En la llnea horizontal de insolacion del grafico pueden observarse los dramaticos cambios en la tasa de insolacion. La diferencia de temperaturas entre la position adyacente a la entrada solar y las tuberlas del intercambiador de calor representa la manera en la cual el sistema de regulacion puede proporcionar un suministro ininterrumpido de vapor, con una calidad correcta.
La invention tambien proporciona un procedimiento para captar y regular la energla solar. De este modo, se configura un unico dispositivo de captacion, o un sistema de captacion que comprenda una serie de tales dispositivos, segun lo descrito anteriormente, de modo que pueda recibir energla solar. Se permite entonces que la energla solar incida sobre el concentrador del dispositivo, o sobre los concentradores del sistema. Esta energla se concentra y/o focaliza entonces mediante el/los concentrador/es, y se dirige la energla concentrada/focalizada al/a los captador/es. En particular, se dirige hacia la/s abertura/s del/los captador/es para captar la energla solar concentrada a traves de las capas de protection y de captacion. Estas capas no retienen cantidades sustanciales de energla termica, sin embargo, son capaces de captar y transmitir la energla para calentar el medio de regulacion de calor. El medio de regulacion de calor calentado puede entonces transferir el calor hasta un fluido de transferencia de calor, contenido en el intercambiador de calor, permitiendo de este modo transferir la energla cuando se requiera.
Un aspecto importante de la invencion es el hecho de que la gran masa termica del medio de regulacion de calor permite regular las fluctuaciones en la energla solar incidente, para generar una salida relativamente constante de fluido de transferencia de calor calentado en caso de que sea necesario. Tales fluctuaciones pueden ser a corto plazo, por ejemplo, debido a una nube que pase frente al sol, o pueden ser mas largas, por ejemplo, debido a la noche. La capacidad del sistema para absorber e incluso regular tales fluctuaciones depende de la masa termica del medio de regulacion de calor. Asl, cuanto mas grande sea la masa termica del fluido de transferencia de calor (es decir, cuanto mayor sea su masa y mayor sea su capacidad calorlfica) y menor sea la velocidad de disipacion de calor (es decir, cuanto menor sea el caudal de fluido de transferencia de calor), mayor sera la capacidad del dispositivo/sistema para absorber fluctuaciones mas agudas y/o mas largas en la energla solar incidente.
La invencion tambien proporciona un procedimiento para generar electricidad. Una vez que se ha captado la energla solar y se ha transferido a traves del medio de regulacion de calor a un fluido de transferencia de calor, como se ha descrito anteriormente, puede hacerse pasar el fluido de transferencia de calor calentado a uno o mas generadores para hacer que el uno o mas generadores conviertan la energla termica en electricidad. En algunas realizaciones, el fluido de transferencia de calor se calienta hasta el punto en el que se evapore, y opcionalmente se sobrecaliente. El vapor resultante puede utilizarse para accionar una turbina, para generar electricidad. Son bien conocidos y estan documentados otros procedimientos varios para convertir el fluido calentado en electricidad. Como se ha indicado anteriormente, los dispositivos de captacion pueden conectarse en paralelo o en serie, o algunos pueden ponerse en paralelo y algunos en serie (por ejemplo, pueden conectarse en serie grupos de mas de un dispositivo que esten conectados en paralelo). Un fluido de transferencia de calor adecuado es el agua, que puede convertirse en vapor. El vapor puede entonces sobrecalentarse, y puede mantenerse a presion antes de su uso para generar electricidad. La temperatura del vapor puede ser superior a 100 °C, pero puede sobrecalentarse por lo menos a 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900 o 1400 °C, o aproximadamente entre 150 y 1200 °C, entre 200 y 1200 °C, entre 500 y 1200 °C, entre 1000 y 1200 °C, entre 150 y 1000 °C, entre 150 y 500 °C, entre 500 y 1000 °C, o entre 250 y 1000 °C, por ejemplo aproximadamente a 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 o 1200 °C. El vapor puede estar a una presion de hasta aproximadamente 200 bar, o de hasta aproximadamente 150, 100, 50, 20 o 10 bar, o de entre aproximadamente 1 y aproximadamente 200 bar, o aproximadamente de entre 5 y 200 bar, de entre 10 y 200 bar, de entre 20 y 200 bar, de entre 50 y 200 bar, de entre 100 y 200 bar, de entre 1 y 100 bar, de entre 1 y 50 bar, de entre 1 y 20 bar, de entre 1 y 10 bar, de entre 5 y 100 bar, de entre 5 y 50 bar, de entre 5 y 20 bar, de entre 10 y 100 bar, de entre 50 y 100 bar, o entre 10 y 50 bar, por ejemplo aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160 , 170, 180, 190 o 200 bar. En algunos casos, el vapor puede estar a una presion superior a aproximadamente 200 bar, por ejemplo, de hasta aproximadamente 300, 400 o 500 bar, o aproximadamente de entre 200 y 500 bar, de entre 300 y 500 bar, de entre 200 y 400 bar, o de entre 300 y 400 bar, por ejemplo, de aproximadamente 250, 300, 350, 400, 450 o 500 bar. En las plantas comerciales supercrlticas generalmente se utilizan presiones de hasta 350 bar. El captador solar de la presente invencion normalmente se opera de modo que el medio de regulacion de calor este a una temperatura de entre aproximadamente 400 y aproximadamente 1000 °C, o aproximadamente de entre 400 y 800 °C, de entre 400 y 600 °C, de entre 500 y 1000 °C, de entre 500 y 800 °C, o de entre 600 y 800 °C, por ejemplo de aproximadamente 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 o 1.000 °C. Habitualmente, cuando se inicia la operation, la portion inferior de la cavidad se calentara mas rapidamente que la porcion superior. Esto se debe a que la energla solar incidira
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directamente sobre las zonas inferiores del dispositivo de captacion de energla, ya que la energla solar se refleja en la cavidad con un angulo. Las zonas superiores del dispositivo de captacion de energla se calentaran en parte por la conduccion termica a traves del medio de regulacion de calor y del dispositivo de captacion de energla, en parte por la reflexion de la energla solar dentro de la cavidad, y en parte por la conveccion de gas calentado dentro de la cavidad. Como la tuberla de intercambio de calor habitualmente esta presente a todo lo alto del medio de regulacion de calor, la energla termica total transferida al fluido de transferencia de calor contenido en la tuberla de intercambio de calor no se vera afectada sustancialmente por este fenomeno. Si es necesario, puede ajustarse la temperatura del medio de regulacion de calor durante el uso, mediante la alteracion del caudal del fluido de transferencia de calor a traves de la tuberla de intercambio de calor embebida en el mismo.
La presente invencion esta disenada para abordar las desventajas del hecho de que la energla solar solo este disponible durante las horas de luz diurna, y tambien el problema de las variaciones en la calidad de salida (a medida que pasen nubes, por ejemplo). La invencion se refiere a la generation de energla termica solar. Se refiere a la regulacion de la conversion de la energla solar para asegurar una production consistente de la calidad de la energla convertida, y para permitir tambien la produccion de la misma en cualquier momento segun la demanda.
En el presente documento se desvela un dispositivo que puede absorber la energla solar concentrada, reflejada desde una serie de espejos que siguen la position del sol, y permite regular el tiempo de uso de la energla termica solar, con fines tales como el calentamiento o generacion de electricidad, utilizando un sistema de generacion de vapor incorporado en el dispositivo.
En algunas realizaciones, la presente invencion utiliza la tecnologla de un sistema de captacion con multiples torres. Sin embargo, en lugar de contar con una unidad de captadores/caldera en cada torre (como se ha utilizado anteriormente), cada torre cuenta con una unidad de captador/regulador/caldera. De esta manera, la energla termica se mantiene en un medio de regulacion de calor en el punto de captacion, habitualmente un medio de regulacion de calor termoconductor solido, hasta que sea necesario utilizar la misma para su conversion a electricidad u otros fines. Esto evita la necesidad de convertir inmediatamente la energla termica en electricidad, o de tener que transferir la misma a un sistema de regulacion mediante fluido. En realizaciones particulares, puede extraerse la energla termica contenida en un captador solar de acuerdo con la invencion para su transferencia a un fluido de trabajo de un intercambiador de calor, en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor, y convertirla en energla electrica, pudiendo utilizarse un ciclo de Rankine (organico o de vapor), un ciclo de Brayton, un ciclo de Camot, generacion termoionica, generacion termo-fotovoltaica, generacion magnetohidrodinamica o un proceso termodinamico similar para convertir energla termica en energla de trabajo (es decir, energla electrica). Cuando haya 2 o mas captadores solares de la invencion (por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 6, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, o 100 o mas), el fluido de trabajo calentado de cada captador podra combinarse en un captador unico en proporciones iguales o no iguales, para formar un fluido de trabajo combinado calentado antes de convertir en energla electrica (ca o cc) el calor del fluido de trabajo calentado combinado. El fluido de trabajo calentado (o fluido de trabajo combinado calentado) puede pasar a traves de un atemperador, para enfriarlo a una temperatura deseada antes de convertir en energla electrica (ca o cc) el calor del fluido de trabajo calentado combinado. El aparato de conversion de calor en energla electrica puede comprender una o mas turbinas, o combinaciones de turbina/s y generador/es, que tambien pueden comprender sistemas compresores, sistemas condensadores y/o sistemas refrigerantes como apreciaran los expertos en la materia a la hora de implementar un proceso termodinamico particular. El proceso termodinamico puede ser un proceso de circuito cerrado o un proceso de circuito abierto. En realizaciones particulares, la conversion de energla termica en energla electrica podra llevarse a cabo en mas de un proceso termodinamico, en las que por ejemplo se convierta en energla electrica parte de la energla termica a traves de un primer proceso termodinamico, por ejemplo un proceso termodinamico de circuito abierto tal como como un proceso en ciclo de Brayton, y cualquier energla termica residual del primer proceso podra convertirse posteriormente en energla electrica a traves de un segundo proceso termodinamico, por ejemplo un proceso termodinamico de circuito cerrado tal como un proceso en ciclo de Rankine. Por supuesto, se apreciara que el primer termodinamico y cualquier proceso termodinamico posterior podrlan ser los mismos procesos, en los que en una etapa principal se convierta en energla electrica una primera parte de la energla termica, y cualquier posible energla termica residual de la etapa anterior pueda convertirse en unas posteriores etapas secundaria, terciaria, cuaternaria, etc., segun sea necesario.
En una realization ejemplar, la conversion de calor a energla electrica puede efectuarse, al menos inicialmente, en una disposition de motor termico en ciclo de circuito abierto. En esta disposition, el motor termico en ciclo de Brayton comprende un compresor para comprimir un fluido de trabajo gaseoso de circuito abierto, que se transfiere a un segundo intercambiador de calor que comprende tubos en los que la energla termica se transfiere al fluido de trabajo gaseoso comprimido en ciclo de circuito abierto, desde un primer fluido de trabajo calentado contenido en los mismos. En un captador solar de la invencion, el primer fluido de trabajo se calienta mediante un primer intercambiador de calor que esta en comunicacion termica con un medio de regulacion de calor, para recuperar el calor almacenado en el medio de regulacion de calor, comprendiendo el primer intercambiador de calor tubos para calentar el primer fluido de trabajo contenido en los mismos. Un compresor puede estar operativamente acoplado con el intercambiador de calor, para comprimir el primer fluido de trabajo antes de su calentamiento. El fluido de trabajo gaseoso calentado en ciclo de circuito abierto se transfiere entonces a una turbina de gas, que esta acoplada con un generador de electricidad, en la que la energla termica del fluido de trabajo gaseoso calentado en ciclo de Brayton se convierte en energla electrica, habitualmente mediante la expansion del fluido de trabajo gaseoso
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calentado en ciclo de circuito abierto, que proporciona un accionamiento giratorio a un eje conectado al generador. Por ejemplo, el primer fluido de trabajo puede ser un fluido vaporoso, por ejemplo, vapor, o un fluido gaseoso tal como un gas inerte (por ejemplo, Ar, He, Ne) o un gas no inerte (por ejemplo, aire o nitrogeno). El primer fluido de trabajo puede comprimirse (por ejemplo, a 1,1-30 bar, o a 1,1-20 bar, o a 1,1-10 bar, o a 1,1-5 bar, o a 2-10 bar, o a 3-8 bar, o a 4-8 bar) o no comprimirse. El fluido de trabajo en ciclo de circuito abierto puede ser, por ejemplo, o un fluido gaseoso tal como un gas inerte (por ejemplo, Ar, He, Ne) o un gas no inerte (por ejemplo, aire o nitrogeno), y puede comprimirse (por ejemplo, a 1,1-30 bar, o a 1,1-20 bar, o a 1,1-10 bar, o a 1,1-5 bar, o a 2-10 bar, o a 3-8 bar, o a 4-8 bar) o no comprimirse. Cualquier calor residual en el fluido de trabajo en ciclo de circuito abierto puede transferirse posteriormente a una etapa secundaria de conversion de calor. Por ejemplo, el calor residual en el fluido de trabajo en ciclo de circuito abierto puede extraerse opcionalmente a traves de un intercambiador de calor adicional, y almacenarse opcionalmente en un medio de almacenamiento termico (por ejemplo, grafito sintetico o grafito no sintetico). El intercambiador de calor adicional puede estar acoplado con la etapa de conversion de calor secundaria. En una disposicion ejemplar, la etapa de conversion de calor secundaria puede ser un sistema termodinamico de circuito cerrado, tal como un motor termico en ciclo de Rankine.
Por lo tanto, la invention se extiende a una planta de production de electricidad, opcionalmente durante las horas punta, que comprenda uno o mas captadores solares (por ejemplo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o mas captadores solares) de acuerdo con la invencion, comprendiendo cada captador solar un medio de regulation de calor, un (primer) intercambiador de calor que comprende tubos de evaporation o calentamiento de un (primer) fluido de trabajo contenidos en los mismos, estando los tubos en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor para recuperar el calor almacenado en el medio de regulacion de calor. El calor puede recuperarse desde el medio de regulacion de calor durante los periodos de demanda maxima de electricidad, o en otras ocasiones segun se requiera. El primer fluido de trabajo calentado de cada captador puede combinarse en un captador unico, en proporciones iguales o diferentes, para formar un fluido de trabajo calentado combinado antes de convertir en energla electrica (ca o cc) el calor del fluido de trabajo combinado calentado. El primer fluido de trabajo calentado de cada captador puede combinarse en proporciones iguales o diferentes, con el fin de producir un fluido de trabajo calentado a temperatura y presion constantes. El fluido de trabajo calentado (o el fluido de trabajo combinado calentado) puede hacerse pasar a traves de un atemperador, para enfriarlo a una temperatura deseada antes de alcanzar el grafito no sintetico en el que se ha almacenado calor, de acuerdo con la invencion. Con el fin de mejorar la eficacia del medio de recuperation asociado con un captador solar de la invencion, el vapor puede sobrecalentarse en tubos de sobrecalentamiento que tambien esten en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor (por ejemplo, grafito sintetico o grafito no sintetico). Los tubos y los tubos de sobrecalentamiento pueden ser tubos continuos, por ejemplo, tal como se utilizan en un sistema "de generador de vapor de paso unico". Cuando haya mas de un captador solar, el vapor de cada captador puede combinarse en proporciones iguales o diferentes en un captador unico, para formar un vapor de salida combinado a presion y temperatura constantes o sustancialmente constantes.
Por lo tanto, la invencion puede extenderse a una planta de produccion de vapor que comprenda uno o mas captadores solares (por ejemplo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o mas captadores solares) de acuerdo con la invencion, que comprendan un medio de regulacion de calor, un (primer) intercambiador de calor que comprende tubos de evaporacion o de calentamiento de un (primer) fluido de trabajo contenido en los mismos, estando los tubos en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor para recuperar o extraer calor almacenado en el medio de regulacion de calor. El calor puede recuperarse o extraerse del medio de regulacion de calor durante periodos de demanda maxima de vapor, o en otras ocasiones segun se requiera. La planta tambien puede comprender un segundo intercambiador de calor que comprenda tubos que comprendan un segundo fluido de trabajo en los mismos, de modo que el segundo fluido de trabajo del segundo intercambiador de calor se vea calentado por el primer fluido de trabajo calentado contenido en los tubos que estan en comunicacion termica con los tubos del segundo calor intercambiador de calor (comprendiendo el captador solar un medio de regulacion de calor, un intercambiador de calor y un primer fluido de trabajo que estan en un sistema de circuito cerrado). El sistema de circuito cerrado puede comprender un refrigerador para enfriar el primer fluido de trabajo, una vez que haya salido del segundo intercambiador de calor. El sistema de circuito cerrado puede comprender un compresor, para comprimir el primer fluido de trabajo tras el enfriamiento. El segundo fluido de trabajo puede ser agua/vapor (cuando el producto final sea vapor o se utilice una turbina de vapor para generar electricidad), o un gas inerte o no inerte (cuando se utilice una turbina de gas o una turbina de gas reactiva para generar electricidad). En algunas realizaciones, el primer fluido o primeros fluidos de trabajo puede/n ser agua/vapor o un gas (inerte o no inerte). En uso, se calienta el primer fluido de trabajo (que puede ser un primer fluido de trabajo comprimido cuando se trate de un gas) en los tubos del (primer) intercambiador de calor como consecuencia de su comunicacion termica con un medio de regulacion de calor (por ejemplo, grafito sintetico o grafito no sintetico) en el que se ha almacenado calor de acuerdo con la invencion, y dicho calor se transfiere al segundo fluido de trabajo en el que se convierte en vapor o, si ya esta en forma de vapor, eleva la temperatura de dicho vapor, como se ha descrito anteriormente, o, si es un gas (gas inerte o no inerte), eleva la temperatura del gas. Cuando hay mas de un captador solar, el primer fluido de trabajo de cada captador puede combinarse en proporciones iguales o diferentes en un captador unico, para formar un primer fluido de trabajo de salida combinado con presion y temperatura constantes, o sustancialmente constantes, para producir desde el segundo intercambiador de calor un vapor o un gas calentado a presion y temperatura constantes o sustancialmente constantes.
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La invention puede extenderse alternativamente a una planta de production de vapor o de un gas caliente, que comprenda uno o mas captadores solares (por ejemplo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 , 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o mas captadores solares) de acuerdo con la invencion, comprendiendo cada captador solar un medio de regulation de calor, un intercambiador de calor que comprende tubos para evaporar o calentar un fluido de trabajo contenido en los mismos, estando los tubos en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor para recuperar el calor almacenado en el medio de regulacion de calor. El calor puede recuperarse del medio de regulacion de calor durante los periodos de demanda maxima de vapor, o en otras ocasiones segun se requiera. El fluido de trabajo puede ser agua/vapor, de modo que, en uso, el fluido de trabajo se caliente en los tubos del intercambiador de calor que estan en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor (por ejemplo, grafito sintetico o grafito no sintetico), en el que se ha almacenado calor de acuerdo con la invencion, en el que se convierte en vapor o, si ya esta en forma de vapor, se eleva la temperatura de dicho vapor tal como se ha descrito anteriormente, de tal manera que el vapor pueda salir de la planta para su uso en una aplicacion deseada. Antes de darse salida al mismo, el vapor puede combinarse en proporciones iguales o diferentes en un captador con vapor generado en otra ubicacion (por ejemplo, en otro captador solar de acuerdo con la invencion, o en un aparato de almacenamiento de calor que comprenda un medio de regulacion de calor, un intercambiador de calor que comprenda tubos de evaporation o de calentamiento de un fluido de trabajo contenido en los mismos, estando los tubos en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor para recuperar el calor almacenado en el medio de regulacion de calor, y una o mas resistencias electricas asociadas operativamente con el medio de regulacion de calor para calentar el mismo - algunos ejemplos de tales aparatos de almacenamiento de calor se describen en el documento WO2005088218, cuyo contenido se incorpora por referencia cruzada). El vapor del captador solar de la invencion puede combinarse con vapor de otra fuente, en proporciones iguales o diferentes, con el fin de suministrar vapor a una presion y temperatura constantes. El fluido de trabajo puede ser un gas inerte o no inerte. Un captador solar de la invencion puede comprender un captador, para comprimir el gas inerte o no inerte. Un captador solar de la invencion puede comprender un refrigerador, para enfriar el gas inerte o no inerte. El gas inerte o no inerte puede enfriarse antes de comprimir el mismo. El gas inerte o no inerte puede comprimirse, por ejemplo, a 1,1-30 bar, o a 1,1-20 bar, o a 1,1-10 bar, o a 1,1-5 bar, o a 2-10 bar, o a 38 bar, o 4-8 bar. El vapor puede generarse por contacto termico del agua/vapor, que pasa a traves de un segundo intercambiador de calor, con el gas inerte o no inerte calentado del intercambiador de calor en el medio de regulacion de calor. Despues de pasar el gas inerte o no inerte a traves del segundo intercambiador de calor, puede entonces enfriarse, comprimirse y reciclarse de vuelta al intercambiador de calor en el medio de regulacion de calor.
A lo largo de la memoria descriptiva y las reivindicaciones, el termino "fluido de trabajo" se utiliza indistintamente con el termino "fluido de transferencia de calor".
El uso del medio de regulacion de calor, situado entre el receptor solar y los intercambiadores de calor, sirve para regular el flujo de energla termica desde la cavidad del receptor solar hasta los intercambiadores de calor, regulando as! los efectos de las fluctuaciones en la entrada de energla solar, tales como nubes que pasen entre el sol y el captador, y asegurando que la energla de salida permanezca relativamente constante. Esto favorece la operation eficiente de la planta de generation. Dependiendo de la cantidad utilizada de medio de regulacion, la funcion de regulacion puede operar durante segundos, minutos, horas o dlas.
Por lo tanto, la invencion abarca la posibilidad tanto de una baja capacidad de regulacion del dispositivo, para cubrir la perdida o reduction a corto plazo de la entrada de energla solar, como de una elevada capacidad de regulacion que pueda proporcionar energla termica solar de forma continua, por ejemplo, durante la noche cuando no haya sol. En ambos casos, el dispositivo puede proporcionar una salida de energla al mismo tiempo que recibe la energla.
Una caracterlstica importante del presente dispositivo es que el regulador de energla esta situado en el punto de captation. Esto proporciona una alta eficiencia.
Una caracterlstica adicional de este sistema es que puede ser modular. En cada modulo, la unidad de receptor solar/regulador/caldera tiene un tamano tal que puede soportarse sobre una estructura de torre de bajo coste, a entre aproximadamente 5 y aproximadamente 100 m por encima del suelo, o entre aproximadamente 15 y aproximadamente 100 m por encima del suelo, o a entre aproximadamente 15 y aproximadamente 50 m por encima del suelo, para absorber durante un dla la energla reflejada desde aproximadamente 1000 m2 de heliostatos, por ejemplo. Con el fin de obtener una central electrica con un requisito de salida particular, estos modulos pueden disponerse lado a lado en una formation de rejilla sobre el suelo, y luego conectarse entre si antes de conectarlos a un generador de turbina de vapor. Por lo tanto, teoricamente no hay tamano llmite para la central electrica que puede crearse con estos modulos, conectados entre si.
Los sistemas de heliostatos con las caracterlsticas de concentration solar y las capacidades de sistema de control de seguimiento requeridas para operar con la invencion estan comercialmente disponibles.
En una realization particular, la presente invencion comprende tres componentes, que pueden contenerse dentro de una caja y situarse encima de una torre. Estos son:
• un receptor solar (capa de acumulacion de energla solar), que esta abierto en la parte inferior de la caja (la abertura) de modo que los rayos solares concentrados puedan pasar a traves de la abertura, entrar en la cavidad
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del receptor solar e incidir sobre el lado de cavidad del receptor solar.
• una masa solida de un medio de regulation de calor, situada dentro de la caja y en contacto directo con la superficie interna del receptor solar.
• un intercambiador de calor tubular, situado dentro de la caja en contacto termico con el medio de regulacion de calor, a cierta distancia de la pared de la cavidad del receptor solar, a traves del cual puede hacerse pasar un fluido para extraer la energla termica del medio solido.
La caja en la que estan ubicados estos componentes puede fabricarse con acero dulce, y el receptor solar esta unido en la abertura a la caja de tal manera que forme parte de la carcasa y haga que la carcasa sea continua, estando as! sellada la caja frente a la atmosfera. Puede proporcionarse en la caja un gas inerte y/o una atmosfera a baja presion para inhibir, o preferentemente prevenir, la oxidation de cualquiera de los componentes que, de otro modo, podrla producirse a temperaturas elevadas.
Todos los componentes funcionales de la caja se alslan termicamente con respecto a la carcasa usando materiales aislantes, excepto el medio de regulacion, que esta en contacto directo con la carcasa del receptor solar dentro de la abertura.
A continuation, se ofrece una description de cada uno de los componentes anteriores:
El receptor solar se fabrica con una aleacion especial de acero inoxidable, resistente a las altas temperaturas. Esta conformado de tal manera que minimice los efectos de una nueva irradiation de energla termica que se fugue a traves de la abertura tras haber sido absorbida en el medio de regulacion, cuando la temperatura dentro de dicho medio exceda la temperatura ambiente. El medio de regulacion de calor se fabrica de manera que forme una envuelta alrededor de la cavidad receptora. El espesor de esta envuelta determina la capacidad de regulacion termica del sistema. La cantidad de energla del sistema es proporcional a la masa del medio de regulacion, y a la capacidad calorlfica del medio.
Deseablemente, el medio de regulacion es un material con propiedades que incluyan la capacidad de soportar temperaturas muy altas (hasta 1200 °C), que presente una conductividad termica alta (superior a 100 W/m2/ K), que sea termicamente estable (que no modifique su forma a altas temperaturas), que presente una baja emisividad (bajos niveles de radiation termica que impliquen perdidas de lo almacenado), que presente un calor especlfico alto (la relation entre el calor suministrado a la unidad masa de una sustancia y el consiguiente aumento de su temperatura), que sea qulmicamente inerte de modo que no reaccione con los demas materiales del sistema, y que no sea toxico ni peligroso de modo que presente un peligro mlnimo para los trabajadores o el medio ambiente.
Algunos materiales que poseen estas propiedades incluyen materiales con un alto contenido de carbono, tales como grafito, carbono puro y carbones duros (antracita), sllice, carburo de silicio, etc., o combinaciones de estos materiales, tales como mezclas de materiales a base de carbono y metales altamente conductores (cobre, oro, aluminio). Otros materiales adecuados incluyen hierro fundido, acero, aluminio, cobre, alumina, sllice, aluminosilicatos, carburo de silicio, nitruro de silicio, ladrillos refractarios, cromita, magnetita, hormigon refractario denso, oxidos metalicos tales como oxido de berilio, oxido de magnesio, oxido de calcio, oxido de estroncio, oxido de osmio, trioxido de lantano, trioxido de itrio, trioxido de escandio, dioxido de titanio, dioxido de circonio, dioxido de hafnio, pentoxido de tantalio, pentoxido de niobio, alumina, sllice, oxido de nlquel, y otros materiales inorganicos tales como nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de tantalio, carburo de titanio, carburo de tungsteno, carburo de circonio, nitruro de aluminio, boruro de circonio, espinela, mullita, forsterita, arcilla, dolomita, magnesita, porcelanas de alta alumina, porcelanas de alta magnesia, silimanita, cianita, silicato de circonio y mezclas de dos o mas cualesquiera de los materiales anteriores.
El espesor de la envuelta del medio de regulacion alrededor del receptor solar puede ser tan delgado como 40-50 mm, lo que proporcionara una atenuacion de la transferencia de energla desde el receptor solar a los intercambiadores de calor, para cubrir las fluctuaciones y las interrupciones a corto plazo (del orden de segundos a minutos) en la entrada de energla solar, o puede ser un espesor de 200-1000 mm que, dependiendo de la masa total del medio de regulacion, podra proporcionar energla de salida durante varias horas o dlas.
El sistema de intercambiador de calor esta embebido en el medio de regulacion de calor, pero en los bordes exteriores de la envuelta del material de medio de regulacion. El intercambiador de calor puede estar compuesto por una tuberla de una aleacion rica en nlquel o de una aleacion de acero inoxidable que pueda soportar temperaturas de hasta 1000 °C y presiones de 200 bar, aunque no necesariamente ambas al mismo tiempo.
La tuberla de intercambio de calor esta disenada para producir vapor utilizando el ciclo de vapor de una pasada. En este sistema, que se utiliza habitualmente en las plantas de cogeneration de vapor, el agua de alimentation se precalienta y bombea directamente en la tuberla de intercambio de calor, embebida en el bloque. El agua hierve, sufre el cambio de fase de agua a vapor saturado, luego se sobrecalienta en su totalidad en el tramo de tuberla, antes de volver a emerger como vapor sobrecalentado en la condition requerida para accionar una turbina de vapor, habitualmente a entre aproximadamente 150 °C y aproximadamente 550 °C y a entre aproximadamente 10 bar y aproximadamente 80 bar.
Alternativamente, los intercambiadores de calor del medio de regulacion pueden estar conectados en series de 1, 2,
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3, 4 o mas, extrayendose la energla progresivamente como agua caliente a presion muy elevada, habitualmente aproximadamente a 300 °C y a 200 bar de presion, y convirtiendola despues en vapor mediante la reduccion de la presion, para crear vapor una vez que haya salido de los primeros bloques y utilizar luego el calor de los ultimos bloques en serie para el sobrecalentamiento, antes de que el vapor alcance la turbina. De esta manera, pueden minimizarse los costes y perdidas asociados con el transporte del fluido de transferencia de calor entre las unidades de almacenamiento/caldera y la turbina.
Como se ha explicado anteriormente, puede utilizarse un sistema de acuerdo con la invencion para producir vapor. Puede usarse cualquier fluido de trabajo adecuado para extraer energla termica del calor almacenado. La siguiente descripcion es ilustrativa de un sistema adecuado.
El controlador de estacion se programa para la temperatura, presion y caudal de vapor requeridos. El controlador de estacion controla la presion de entrada de agua y determina cuales de los reguladores solares individuales (dispositivos de captacion de energla solar) se emplearan para la production de vapor. El controlador de la estacion utilizara tantos reguladores termicos solares como sea necesario para lograr la temperatura y cantidad de vapor requeridas. El controlador de estacion recibe information sobre la temperatura media desde el controlador de modulo de cada regulador termico solar individual, y esta programado para predecir la velocidad a la que cada bloque particular producira vapor. El controlador de estacion decide que reguladores termicos solares se pondran en uso y, partiendo de la temperatura media del bloque, esta programado para determinar la tasa de disminucion de la salida de vapor.
Tambien esta presente un atemperador de vapor, que utiliza agua pulverizada en la llnea de vapor, antes de que se envle el vapor a un requerimiento del proceso o a una turbina de vapor y el controlador de estacion pueda hacer un ajuste final a la temperatura del vapor, para asegurarse de que es la requerida. El controlador de estacion recibe el caudal de agua desde el controlador de modulo para cada regulador termico solar y para el atemperador de vapor. El controlador de estacion determina el flujo total procedente de estas fuentes, para confirmar que la cantidad final total de vapor es la requerida. El controlador de estacion evalua continuamente el flujo de vapor, y predecira cuando sera necesario iniciar el siguiente regulador termico solar.
El controlador de modulo esta programado para introducir agua en el intercambiador de calor, embebido dentro del regulador termico solar, a una velocidad tal que el vapor producido este dentro del intervalo predeterminado para la temperatura del vapor. Si la temperatura del vapor es demasiado alta, entonces el agua se introducira a una mayor velocidad. Por lo tanto, cada regulador termico solar puede tener un controlador de caudal para controlar el caudal de agua.
A medida que se extrae la energla del medio de regulation de calor, y como resultado disminuye la temperatura del mismo, se disminuira la velocidad a la que se introduce agua en el intercambiador de calor, para mantener la temperatura de salida del vapor dentro del intervalo predeterminado para la temperatura del vapor. El controlador de modulo gestiona la produccion de vapor para el regulador termico solar individual, manteniendo la produccion de vapor dentro del intervalo de temperatura predeterminado mediante el control de la velocidad a la que se introduce el agua en el intercambiador de calor embebido. El controlador de modulo esta programado para ajustar la velocidad de introduction del agua, en funcion de la temperatura media del material de regulacion de calor. El controlador de modulo abre o cierra la valvula de control, para asegurar que se mantenga la temperatura de vapor requerida. El caudal variable se mide en un medidor de flujo, y el controlador de modulo envla dicho caudal al controlador de estacion.
Dado que con el tiempo la produccion de vapor de un regulador termico solar individual disminuira, para mantener una salida constante del sistema general, se utilizan multiples reguladores. Potencialmente, los reguladores a mayor temperatura podran producir vapor en la franja superior del intervalo predeterminado de temperaturas, mientras que los reguladores a menor temperatura podran producir vapor en la franja inferior del intervalo predeterminado. El controlador de estacion aprovecha la diferente salida de los reguladores individuales.
En la Fig. 1 se muestra un captador para su uso en un dispositivo de captacion de energla solar de acuerdo con la presente invencion. Las principales caracterlsticas del concentrador de la Fig. 1 son:
1. Capa 1 de captacion de energla - funciona como un receptor solar y esta configurada para definir una cavidad dentro del captador solar. La capa de captacion de energla esta construida con acero inoxidable, y recubierta con una capa protectora (no mostrada) que comprende un material protector.
2. Medio solido 2 de regulacion de calor, que presenta un elevado calor especlfico, una tolerancia a las altas temperaturas, una alta conductividad termica, una baja emisividad, es termicamente estable, no toxico y presenta un bajo riesgo ambiental.
3. Tuberla 3 de intercambio de calor, embebida en la matriz del medio 2 de regulacion de calor,
4. Material aislante 4, que rodea el medio 2 de regulacion de calor para reducir las perdidas de calor.
5. Valvula 5 de suministro y control de gas inerte, para suministrar gas inerte al material aislante 4 para reducir o minimizar la oxidation termica.
6. Sistema 6 de valvulas de control de entrada de agua de alimentation. Se proporciona con el fin de alimentar un fluido de transferencia de calor a la tuberla 3 de intercambio de calor.
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7. Sistema 7 de valvulas de control y salida de vapor/agua caliente. Se proporciona para permitir que el fluido de transferencia de calor calentado (ya sea en forma de llquido o de vapor) salga del captador para su uso, por ejemplo, para generar electricidad.
8. Material aislante poroso 8 (por ejemplo, ladrillos aislantes), para soportar el medio 2 de regulacion.
9. Abertura 9 al receptor/captador solar. Habitualmente el concentrador (no mostrado en la Fig. 1) focalizara energla dentro de la abertura 9, de manera que se proporcione la maxima energla disponible a la cavidad.
10. Carcasa 10 de acero dulce del captador. Rodea el aislamiento 4.
11. Pantalla protectora termica 11, construida con un material de reborde para altas temperaturas alrededor de la abertura 9. Se proporciona para evitar danos a los materiales circundantes debido a las altas temperaturas generadas alrededor de la abertura, debido a la concentration de energla solar en dicha zona.
12. Estructura 12 de soporte de acero para caja. Esta aislada con respecto al medio 2 de regulacion de calor por el aislamiento poroso 8, y puede utilizarse para montar el captador sobre una torre.
En uso, la energla solar procedente del concentrador se focaliza en la abertura 9. Luego pasa dentro del captador e incide en la capa 1 de captation de energla. La capa protectora situada sobre la capa 1 mejora la absorcion de la energla solar, y tambien puede inhibir una nueva irradiation de la energla que escape del captador. La capa 1 de captacion de energla transfiere la energla solar en forma de calor al medio 2 de regulacion de calor, que calienta el fluido de transferencia de calor en la tuberla 3 de intercambio de calor. Como se ha indicado anteriormente, debido a la elevada masa termica del medio 2, se regulan las fluctuaciones de energla solar que entran en la abertura 9 de manera que pueda proporcionarse un suministro constante de fluido de transferencia de calor calentado. El suministro 5 de gas inerte suministra gas inerte al aislamiento 4, para evitar o inhibir la oxidation de materiales en el captador. El aislamiento 4 reduce la perdida de calor desde el medio 2 de regulacion de calor hacia el exterior, y esta contenido en la carcasa 10 de acero dulce en pos de la integridad estructural. El fluido de transferencia de calor calentado sale del captador a traves de la salida 7. A continuation puede utilizarse directamente para fines de calentamiento, o puede convertirse en electricidad usando medios convencionales.
Las Figs. 6 a 8 muestran fotograflas de la invention, o porciones de la misma. Asl, la Fig. 6 muestra una torre que tiene un captador solar de acuerdo con la invencion y un concentrador de energla solar, que comprende un conjunto de espejos para concentrar energla sobre el captador solar. Las Figs. 7 y 8 muestran vistas mas cercanas del captador, en las que se mira hacia arriba hacia la cavidad.
La Fig. 9 muestra un captador solar de acuerdo con la invencion, que presenta las siguientes especificaciones: Dimensiones 2,8 m * 2,8 m * 2,8 m
Peso aproximado 14-15 toneladas (bruto); aproximadamente 10 toneladas (contenido de grafito)
Capacidad de almacenamiento termico 11,5 GJ (3,2 MWhth)
Capacidad de salida termica hasta 1500 kW Tasa de entrada termica maxima 500 kW a 1000 °C
Servicio nominal habitual de la caldera (puede variar): capacidad de generation de agua caliente (en la salida), presion de 150 bar absolutos (maximo 200 bar absolutos), temperatura de 280 °C (maximo 320 °C); capacidad de generacion de vapor (en la salida), presion de 40 bar absolutos (maximo 50 bar absolutos), temperatura de 400 °C (maximo 550 °C)
Las caracterlsticas de la presente invencion incluyen:
• La elevation del bloque regulador sobre una torre permite alcanzar altas temperaturas.
• La invencion proporciona una alta densidad de regulacion termica y una eficiente generacion de electricidad;
• Un sistema de regulacion termica totalmente integrado en el punto de captacion proporciona una alta eficiencia;
• El diseno modular facilita la ampliation, una construction sencilla y un despliegue facil.
En una forma, la invencion proporciona un sistema de captacion solar que comprende:
una pluralidad de placas de un medio de regulacion de calor, de grafito, dispuestas alrededor de una cavidad y en contacto con un dispositivo de captacion de energla;
un concentrador de energla solar para concentrar los rayos del sol, para calentar el dispositivo de captacion de energla y, de este modo, calentar el medio de regulacion de calor;
un primer intercambiador de calor situado al menos parcialmente en el interior o en proximidad del medio de regulacion de calor, para recuperar la energla calorlfica del medio de regulacion de calor mediante un fluido de transferencia de calor; y
un circuito de fluido de transferencia de calor para transferir el calor del fluido de transferencia de calor a un segundo intercambiador de calor, para generar vapor.
En otra forma, la invencion proporciona un procedimiento de captacion de energla solar y de recuperation de energla termica, comprendiendo dicho procedimiento:
disponer una pluralidad de placas de un medio de regulacion de calor, de grafito, alrededor de una cavidad y de forma que hagan contacto con un dispositivo de captacion de energla a calentar;
concentrar los rayos solares para calentar el dispositivo de captacion de energla y, de este modo, calentar el
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medio de regulacion de calor;
recuperar la energia calorifica del medio de regulacion de calor, mediante un fluido de transferencia de calor; y
transferir el calor del fluido de transferencia de calor a un intercambiador de calor, para generar vapor.
El medio de regulacion de calor de grafito puede ser un medio de regulacion de calor de grafito sintetico. El medio de regulacion de calor de grafito puede ser un medio de regulacion de calor de grafito no sintetico. La Fig. 11 muestra la construccion de un captador solar de acuerdo con la presente invencion. Asi, las placas 1110 (solo se indican dos especificamente, aunque la figura muestra un gran numero de las mismas) se muestran apiladas en los cuatro lados de una abertura cuadrada 1120, que esta revestida con un dispositivo de captacion de energia (no mostrado). Por simplicidad, las placas 1110 se muestran con una forma aproximadamente rectangular, sin embargo, como se muestra en la Fig. 10, la forma real es algo mas compleja. El conjunto de placas 1110 se situa dentro de una carcasa 1130, y la zona entre las placas 1110 y la carcasa 1130 se llena con un material aislante, habitualmente un material aislante fibroso o poroso. La ilustracion A de la Fig. 11 muestra una vista en perspectiva del captador, y la ilustracion B muestra una seccion transversal tomada por X-X'. La ilustracion B muestra la placa superior 1140 (que necesariamente tendra una forma y tamano diferentes a los de las placas laterales 1110), que se asienta encima del dispositivo de captacion de energia que recubre la abertura 1120. La ilustracion B tambien muestra la disposicion de las tuberias de intercambio de calor dentro del conjunto de placas 1110. Como puede observarse, las tuberias de intercambio de calor encajan dentro de unas cavidades (por ejemplo, con la referencia 1150) que estan formadas por dos ranuras coincidentes de dos placas adyacentes. En cada cara del conjunto de placas hay dos tuberias de intercambio de calor paralelas. Estas se han etiquetado con los numeros 1160 y 1165 para el conjunto de placas de la derecha, en la ilustracion B. Debe comprenderse que otras porciones de tuberia (sin marcar) situadas mas arriba en el conjunto tambien estan conectadas a las mismas. Las conexiones para fluido entre estas tuberias estan situadas en espacios en las esquinas del ensamblaje, etiquetadas por ejemplo con el numero 1170 en la ilustracion A, aunque por fines de simplicidad las conexiones no se muestran explicitamente (se muestran en las figuras posteriores). Los extremos inferiores de estas tuberias estan conectados a un anillo principal (no mostrado), y los extremos superiores a un captador que pasa por encima de la carcasa 1130.
La Figura 12 muestra una seccion transversal mas detallada de un captador solar, similar al de la Fig. 11. Las caracteristicas adicionales de la Fig. 12 incluyen ladrillos termicamente aislantes 1210, que soportan las placas del medio de regulacion de calor y que las protegen en caso de radiacion solar, que incida desde abajo. Entre las placas y la carcasa 1225 se muestra un aislamiento termico 1220. Se muestran unos termopares (por ejemplo, con la referencia 1230) situados a diferentes profundidades dentro de las placas, para monitorear la temperatura del captador solar y para proporcionar datos para el control del captador. Desde los termopares se retransmiten senales relacionadas con la temperatura, a traves de conexiones electricas (por ejemplo, con la referencia 1235) que llegan hasta un controlador de modulo (no mostrado). Las tuberias de intercambio de calor situadas entre las placas salen de la carcasa a traves de unos tubos 1240, y sus salidas combinadas (por ejemplo, de vapor o agua caliente) pasan a traves del captador 1245. Se proporciona una pantalla protectora 1250 para proteger la porcion inferior de la carcasa 1225 antes los danos por radiacion solar, y se extiende dentro de las zonas inferiores de la cavidad 1265. Tiene una abertura de pantalla protectora, que esta alineada con la abertura 1255 para permitir que la radiacion solar entre en la cavidad 1265. Presenta un aislamiento 1260 sobre una superficie de parte de la misma, para proporcionar una proteccion adicional. De este modo, en uso, se focaliza la energia solar procedente de un concentrador de energia solar a traves de la abertura de la pantalla protectora y de la abertura 1255, al interior de la cavidad 1265 en donde impacta sobre el dispositivo 1270 de captacion de energia. Este calienta el dispositivo 1270, que transfiere la energia termica a las placas, y desde alli al fluido de transferencia de calor contenido en las tuberias de intercambio de calor. En un ejemplo, este se convierte en vapor, que pasa a traves de los tubos 1240 hasta el captador 1245. Puede hacerse pasar el mismo hasta un intercambiador de calor externo, o puede utilizarse como vapor de proceso o para generar electricidad directamente, segun se requiera,
La Figura 13A muestra un diagrama de un dispositivo de captacion de energia solar de acuerdo con la invencion. Asi, un captador solar 1300 esta soportado sobre una torre 1305 por medio de unos postes verticales 1310. Debajo del captador 1300 se muestra una pantalla protectora circular 1315, y se proporciona a modo de proteccion para el captador 1300 ante la radiacion solar. Se proporciona un concentrador de energia solar en forma de unos reflectores 1320. Estos estan dispuestos para dirigir la radiacion solar hacia la cavidad 1325. Como se ha descrito anteriormente, la radiacion solar que entra en la cavidad 1325 se utiliza para calentar un fluido de transferencia de calor, contenido en una tuberia de intercambio de calor embebida en el captador 1300. Dicho fluido sale del captador 1300 a traves de unos tubos 1330, y hacia el colector 1335 que lo conduce a la ubicacion en la que se utilizara posteriormente. La pantalla protectora circular 1315 presenta una abertura circular 1315a.
La Figura 13B muestra un diagrama de un dispositivo de captacion de energia solar de acuerdo con la invencion, tal como el representado en la Figura 13A excepto porque la pantalla protectora 1317 es una pantalla protectora cuadrada, con una abertura cuadrada 1317a. Pueden utilizarse formas alternativas para la pantalla protectora y/o la abertura, segun se requiera (por ejemplo, una forma rectangular, ovalada, eliptica, prismatica, poligonal, etc.).
La Figura 14 ilustra algunos de los elementos del sistema de control de un dispositivo de captacion de energia solar. El dispositivo 1400 comprende un captador solar 1405. Un controlador 1410 de modulo es un procesador, por ejemplo, un ordenador o PLC (controlador logico programable), que sirve para controlar la operacion de un captador 1405. Se proporciona un controlador 1415 de estacion para controlar una serie de dispositivos similares al
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dispositivo 1400, y esta acoplado a un controlador 1410 de modulo con el fin de enviar senales de control al dispositivo 1400 y recibir senales de datos desde el mismo. En diversas posiciones dentro del medio de regulacion de calor del captador 1405 estan situados unos termopares 1420, para monitorear las temperaturas en diferentes ubicaciones. Estos envlan senales tal como se ha indicado, ya sea al controlador 1410 de modulo o directamente al controlador 1415 de estacion. Una valvula 1425 controla el flujo de un fluido de transferencia de calor hacia la tuberla de intercambio de calor del captador 1405, y las valvulas 1430 controlan el flujo del fluido de transferencia de calor desde la tuberla de intercambio de calor al distribuidor 1435. Las valvulas 1430 son opcionales y pueden no estar presentes. En el caso de que no esten presentes, el fluido de transferencia de calor calentado puede pasar directamente al distribuidor 1435. Se proporciona una pantalla protectora 1445 para proteger la cara inferior del captador 1405 frente a la radiacion solar incidente, y presenta un aislamiento sobre una parte de su superficie (ilustrada, pero no numerada). Se extiende parcialmente hacia dentro de la cavidad 1453 para proteger la porcion inferior frente a la radiacion solar. Presenta una abertura 1450 de pantalla protectora, que permite que la radiacion solar procedente de unos reflectores 1455 entre en la cavidad 1453. Los reflectores 1455 estan provistos de motores (no mostrados) que pueden desplazar los reflectores 1455, en respuesta a las senales de control del controlador 1410 de modulo. Se proporciona un tapon 1460 de manera que pueda insertarse en la abertura 1445 de pantalla protectora, para impedir la perdida de calor desde la cavidad 1453 en aquellos momentos en los que no entre energla solar en la cavidad. El tapon 1460 esta soportado en un mecanismo 1465 de insercion de tapon, que puede insertar y retirar el tapon 1460 y que responde a una senal de control procedente del controlador 1410 de modulo. Se proporciona un sistema de gas inerte, para evitar que penetren oxlgeno y materiales oxidantes (por ejemplo, el medio de regulacion de calor) en el captador 1405. Asl, una valvula 1470 de entrada controla el flujo de gas inerte desde una fuente (1475) de gas inerte. En algunos casos puede estar presente una valvula 1480 de salida, para controlar el flujo de gas inerte al exterior del captador 1405, aunque en algunos casos no estara presente y cualquier posible cantidad de gas inerte que escape del captador 1405 lo hara a traves de puntos menores de fuga no intencionales, situados en la carcasa del captador 1405. Se proporciona un sensor 1485 de presion dentro del captador 1405 para monitorizar la presion de gas inerte en el mismo, y para proporcionar una senal de presion al controlador 1405 de modulo. Esto permite que el controlador 1405 de modulo controle la valvula 1470 de entrada.
En uso, cuando el aislamiento es suficiente, el controlador 1410 de modulo envla senales al mecanismo 1465 de insercion de tapon para que retire el tapon 1460, para permitir que la radiacion solar entre en la cavidad 1453 a traves de la abertura 1450 de pantalla protectora. Tambien envla senales a los motores de los reflectores 1455, para dirigir la radiacion solar hacia dentro de la cavidad 1453 como ya se ha descrito. El controlador 1415 de estacion envla senales a las valvulas 1425 para que se abran y permitan el paso de la cantidad requerida de fluido de transferencia de calor a traves del captador 1405, calentando de este modo el fluido de transferencia de calor. En un ejemplo, dicho fluido es agua, que se convertira en vapor a medida que pase a traves del captador 1405. El controlador 1415 de estacion tambien envla senales a las valvulas 1430 para que permitan la salida del vapor y controlen la presion del vapor, a medida que sale hacia el distribuidor 1435. En el captador 1405 se mantiene una presion adecuada del gas inerte, ligeramente superior a la presion ambiental. Asl, cuando el sensor 1485 indica al controlador 1410 de modulo que la presion esta por debajo de una presion predeterminada, se envla una senal a la valvula 1470 para que se abra durante un tiempo suficiente como para aumentar la presion del gas inerte, hasta el intervalo requerido. Este aumento de la presion desencadena una senal de control para cerrar la valvula 1470, para evitar la acumulacion de presion adicional en el captador 1405. Los termopares 1420 proporcionan senales constantes de realimentacion de temperatura al controlador 1410 de modulo. En la situacion mostrada en la Fig. 14, la temperatura ha aumentado hasta un llmite superior. Esto ha activado el controlador 1410 de modulo para que envle senales al reflector 1455 del lado derecho para que dirija la radiacion solar fuera de la cavidad 1453, para evitar un aumento adicional de la temperatura. A medida que el fluido de transferencia de calor pase a traves del captador 1405, se perdera energla, lo que resultara en un enfriamiento. Esto activara finalmente una senal para los reflectores 1455, de modo que ambos dirijan la radiacion solar a la cavidad 1453 para aumentar asl la entrada de energla. La funcion del controlador 1415 de estacion es controlar la operacion combinada de una serie de controladores, tales como los controladores 1410. Asl, puede desconectar y conectar los controladores segun sea necesario para proporcionar la calidad y la cantidad requeridas de energla de salida (por ejemplo, en forma de vapor desde el distribuidor 1435).
En uso, el medio de regulacion de calor puede calentarse a una temperatura de entre aproximadamente 500 y 1000 °C, o de entre aproximadamente 500 y 700 °C, de entre 700 y 1000 °C o de entre 600 y 800 °C (por ejemplo, aproximadamente 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 o 1000 °C). Si existe el riesgo de que la temperatura exceda una temperatura llmite superior, un sistema de control puede aumentar la cantidad de fluido de transferencia de calor que pasa a traves de la tuberla de intercambio de calor, con el fin de aumentar la disipacion de calor del medio, o bien puede apagar (estacionar) uno o mas reflectores para reducir la energla entrante en el captador. El calentamiento del medio de regulacion de calor se hace por medio de transferencia de calor desde el dispositivo de captacion de energla. Asl, al menos una parte de la superficie del dispositivo de captacion de energla, que este orientada hacia la cavidad, se vera calentada por la radiacion solar que entre en la cavidad a traves de la abertura.
La Figura 15 ilustra un dispositivo de captacion solar en el que la energla solar se dirige hacia unas aberturas situadas en el lado del captador solar, en lugar de hacia su superficie inferior. Asl, en el dispositivo 1500, un captador solar 1505 esta soportado sobre una torre 1510 por medio de cuatro postes verticales 1515. Un conjunto
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de reflectores 1520 esta dispuesto en o cerca del nivel del suelo, para captar la radiacion solar. Habitualmente, al igual que ocurre con los otros dispositivos de captacion solar descritos en el presente documento, dichos postes estaran dispuestos alrededor de la torre 1510, aunque en algunos casos pueden estar situados solamente en un lado de la misma. Por razones de simplicidad solo se muestran 6 reflectores 1520, pero en la practica es probable que se utilizara un campo mucho mayor de reflectores. Esto se ilustra en una figura posterior. La disposicion de los reflectores 1520 presenta unos pasillos sin reflectores - estos pasillos estan dispuestos de manera que los reflectores no dirijan la energla solar hacia los postes 1515. Los reflectores 1525 estan dispuestos en elevacion, para reflejar la radiacion solar procedente de los reflectores 1520 hacia el captador solar 1505. El captador solar 1505 tiene dos cavidades 1530, que estan dispuestas para aceptar la radiacion solar concentrada desde los reflectores 1525 a traves de las aberturas 1535. En algunos casos, las aberturas 1535 permiten la radiacion solamente en una porcion inferior de las cavidades 1530. Esto facilita la contencion de aire caliente dentro de las cavidades 1530. Se proporcionan unas salidas 1540 para transportar el fluido de transferencia de calor calentado desde la tuberla de intercambio de calor (no mostrada) del captador 1505 hasta el distribuidor 1545. Se proporcionan unas pantallas protectoras 1550 con el fin de proteger el material que rodea las aberturas 1535, frente a los danos causados por la radiacion solar dispersa durante el uso.
En uso, la radiacion solar incide sobre los reflectores 1520, que se han orientado por medio de un sistema de control (similar al descrito en relacion con la Fig. 14) para dirigir la radiacion solar a unos espejos elevados 1525. Como se muestra, solo hay presentes dos espejos elevados y dos cavidades. En la practica puede haber mas cavidades en el captador 1505. Cada cavidad puede estar asociada con un unico reflector elevado, o cada reflector puede dirigir la radiacion solar hacia mas de una cavidad (opcionalmente, a diferentes horas del dla), o puede haber mas de un reflector elevado que dirija la radiacion hacia cada cavidad. Cuando la radiacion incide sobre un dispositivo de captacion de energla dispuesto en la cavidad, el dispositivo de captacion de energla se calienta y transfiere energla termica al medio de transferencia de calor del captador. Esto calienta a su vez el fluido de transferencia de calor contenido en la tuberla del intercambiador de calor dentro del captador. El fluido de transferencia de calor calentado (habitualmente agua caliente o vapor) sale entonces del captador 1505 y pasa a un conducto 1545, a traves de unas salidas 1540.
La Figura 16 (A y B) muestra un dispositivo de captacion solar en el que puede utilizarse una fuente de energla suplementaria, para complementar la energla solar a modo de entrada de energla. Asl, en la Fig. 16, un captador solar 1600 comprende una cavidad 1605 para aceptar la radiacion solar de unos reflectores 1610, como se ha analizado anteriormente. El captador 1600 tambien comprende unas resistencias 1615 embebidas en unas cavidades 1620 para resistencia. Habitualmente estan aisladas electricamente con respecto al medio de regulation de calor del captador 1600. Los detalles del calentamiento electrico de un medio de regulacion de calor, tal como grafito, se proporcionan en el documento WO95/25416, cuyo contenido se incorpora en el presente documento por referencia cruzada. La Fig. 16A muestra una situation en la que las cavidades 1620 para resistencia son horizontales y la Fig. 16B muestra unas cavidades verticales 1620 para resistencia. Resultara evidente que las cavidades 1620 para resistencia pueden estar en cualquier angulo deseado, y que pueden pasar desde la parte superior, inferior o lateral del captador 1600 (o pueden pasar desde mas de una de dichas partes). Puede haber solamente una cavidad 1620 para resistencia, o pueden ser dos tal como se muestra en la Fig. 16, o pueden ser 2, 3, 4, 5 o mas de 5, segun se requiera. Se proporciona un circuito 1625 para transmitir una corriente electrica desde la fuente 1630. Habitualmente, la fuente 1630 sera capaz de generar electricidad a partir de una fuente de energla renovable, tal como la energla eolica, etc. Puede ser un generador hidroelectrico. En uso, el captador 1600 absorbera la radiacion solar desde los reflectores 1600, como se ha descrito anteriormente. Tambien puede absorber la energla termica generada a partir de la electricidad que pasa a traves de las resistencias 1615. Esto facilita la provision de energla desde el captador 1600 de manera continua, puesto que, cuando la energla solar no este disponible (por ejemplo, en condiciones de nubosidad o durante la noche), la entrada de energla desde la fuente 1630 podra continuar llegando al captador 1600 de calor y le permitira producir una salida de energla. En la construction de un captador tal como el de la Fig. 16A, una o mas de las placas (vease la Fig. 11) pueden contar con una cavidad 1620 para resistencia preformada, en la que se monten las resistencias 1615 antes o despues del ensamblaje. En la construccion de un captador, tal como el de la Fig. 16B, las placas apropiadas pueden presentar unos orificios que, cuando se monten las placas, queden alineados para formar unas cavidades 1620 para resistencia. En este caso, es preferible insertar las resistencias 1615 tras ensamblar las placas.
En algunas formas del presente sistema, encima de la cavidad se proporciona una altura adicional formada por el medio de regulacion de calor, para acomodar las resistencias 1615. Asl, durante la construccion del captador pueden anadirse placas adicionales del medio de regulacion de calor, estando adaptadas dichas placas adicionales para alojar las resistencias 1615.
Las Figuras 17 a 21 ilustran la construccion de un captador solar. En la Fig. 17, puede observarse un bastidor que soporta y forma parte de una carcasa del captador solar. Puede observarse una cara inferior del captador solar, sobre la cual se colocan ladrillos ceramicos. Estos soportaran las placas del medio de regulacion de calor. Por encima de los ladrillos puede observarse la tuberla de intercambio de calor, soportada sobre un bastidor. En este caso solo puede observarse un juego de tuberla, sin embargo, habra una tuberla similar en cada una de las cuatro caras. Detras de la tuberla de intercambio de calor puede observarse una cara del dispositivo de captacion de energla, que tiene forma de paraleleplpedo de section cuadrada. La Figura 18 muestra una etapa adicional de construccion del captador solar. Se han colocado varias de las placas del medio de regulacion de calor en cada cara
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del captador. Pueden observarse como las curvas de la tuberla de intercambio de calor sobresalen de los extremos de las placas montadas. La Fig. 19 muestra una vista lateral de una etapa temprana de la construccion de un captador solar. Esto proporciona una vision clara de la tuberla de intercambio de calor. En algunas realizaciones de la invencion, esta presente una segunda tuberla de intercambio de calor (que estarla situada entre la tuberla mostrada en la Fig. 19 y el dispositivo de captation de energla, visible a la derecha de la figura). En este caso, puede alimentarse las mismas desde abajo mediante un unico anillo principal, y pueden estar conectadas por encima del captador a un colector de salida. La Figura 20 muestra una etapa adicional de construccion, en la que la mayor parte de las placas del medio de regulation de calor estan en su sitio. La Figura 21 muestra la parte superior del captador durante la construccion. La tuberla de intercambio de calor, cuya mayor parte esta embebida en el conjunto de placas de regulacion de calor, pasa a lo largo de la parte superior del dispositivo de captacion de energla de modo que, en uso, el fluido de transferencia de calor contenido en el mismo pueda absorber una cantidad adicional de energla. Puede observarse como los tubos de salida para la tuberla de intercambio de calor se extienden verticalmente desde el bastidor, a traves del borde mas cercano del bastidor.
La Figura 22 muestra una vista de la parte superior del captador, que ilustra el colector de salida hacia cuyo interior se abren los tubos de salida del intercambiador de calor. La Figura 23 muestra como en cada cara del conjunto estan dispuestos dos pares de tuberlas de intercambio de calor, y como la tuberla de intercambio de calor encaja en unos agujeros tubulares situados entre dos placas formadas por dos ranuras complementarias de section transversal semicircular situadas en las dos placas. Tambien puede observarse un espacio de expansion de esquinas entre las placas, para permitir la expansion termica durante el uso. La Fig. 24 muestra una vista del interior de la cavidad, desde abajo. Puede observarse un aislamiento en la pantalla protectora. La Figura 25 muestra una vista del captador, desde abajo. Puede observarse facilmente la pantalla protectora debajo del captador, al igual que el aislamiento proporcionado en los cuatro postes verticales que sujetan el captador. Ademas, los postes verticales presentan un aislamiento en la parte superior de la torre, para protegerlos de la radiation solar dispersa. La Figura 26 muestra un tapon que puede encajar en la abertura de pantalla protectora, cuando los reflectores estan en una orientation de no captacion. El tapon esta montado en un mecanismo de insertion de tapon, en este caso en forma de mecanismo elevador de tipo tijera. En la parte trasera pueden observarse los reflectores, en una orientacion sustancialmente horizontal de no captacion, la Figura 27 muestra una pila de placas del medio de regulacion de calor. En ella se ilustra una forma adecuada para las placas, y se muestran las ranuras situadas en la cara de la placa en las que se instalara la tuberla de intercambio de calor. La Figura 28 muestra un captador solar encima de una torre y rodeado por una serie de reflectores, para captar la energla solar y dirigirla hacia el captador. En ella se muestran los reflectores dispuestos en una serie de clrculos concentricos, y tambien se muestran ciertos pasillos del conjunto en los que no hay reflectores para evitar que se dirija radiacion solar a los postes, que soportan el captador sobre la torre, reduciendo as! la posibilidad de danos en los postes.
La Figura 28A representa el fluido de transferencia de calor calentado como vapor, que se emite directamente desde el colector 1335 del captador solar, representado en las Figuras 13A y 13B, o desde el colector 1545 representado en la Fig. 15, hacia el tubo 2801 de salida desde el que emerge como vapor que podra utilizarse segun sea necesario.
Las Figuras 28B y 28C muestran el fluido de transferencia de calor calentado (que puede ser vapor, o un gas inerte o no inerte) que sale directamente desde el colector 1335 del captador solar, representado en las Figuras 13A y 13B, o desde el colector 1545 representado en la Fig. 15, hacia el tubo 2802 que esta en comunicacion termica con el segundo intercambiador de calor 2803, y pasa a traves del mismo. El tubo 2802 esta acoplado al refrigerador 2804 que, a su vez, esta acoplado al compresor 2805 (que puede ser un soplador o un ventilador) mediante un tubo 2806. Un tubo 2807 acopla el compresor 2805 a la entrada B. Un tubo 2808 esta en comunicacion termica con el segundo intercambiador de calor 2803, y pasa a traves del mismo, hasta una turbina 2809 de vapor. La turbina 2809 de vapor esta acoplada a un generador electrico 2810 (ca o cc). En uso, un fluido de transferencia calentado A entra en el segundo intercambiador 2803 de calor, a traves del tubo 2802, y el agua contenida en el tubo 2808 tambien entra en el segundo intercambiador 2803 de calor. El fluido de transferencia calentado A puede ser un gas inerte o no inerte, o puede ser vapor. El fluido de transferencia calentado A puede estar a una presion y temperatura constantes, o a una temperatura y presion sustancialmente constantes. Esto puede lograrse mediante el control y ajuste del caudal de fluido de transferencia de calor hacia el medio de regulacion de calor, segun sea necesario. A medida que el fluido de transferencia de calor contenido en el tubo 2802 pasa a traves del segundo intercambiador 2803 de calor, transfiere su calor al agua contenida en el tubo 2808, convirtiendola de este modo en vapor. Debido a que el fluido de transferencia de calor esta a una presion y temperatura constantes, o sustancialmente constantes, el vapor generado en el tubo 2808 a partir del agua contenida en el mismo (que tambien se suministra habitualmente a una presion y temperatura constantes) tambien estara a una presion y temperatura constantes, o sustancialmente constantes. El vapor que sale del tubo 2808 acciona la turbina 2809 de vapor que, a su vez, acciona el generador electrico 2810 a traves de un eje 2811. Tras pasar a traves del segundo intercambiador 2803 de calor, el fluido de transferencia de calor contenido en el tubo 2802 pasa al refrigerador 2804, donde se enfrla, y luego pasa a traves del tubo 2806 hasta el compresor 2805, donde se comprime. El fluido de transferencia de calor enfriado y comprimido se recicla entonces hasta la entrada B, a traves del tubo 2807.
La Figura 28D muestra el fluido de transferencia de calor calentado, que sale directamente desde el colector 1335 en el captador solar representado en las Figuras 13A y 13B, o desde el colector 1545 representado en la Fig. 15, hacia el tubo 2820 que llega hasta la turbina 2821 de vapor. La turbina 2821 de vapor esta acoplada al generador
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electrico 2822 (ca o cc) a traves del eje 2823. En uso, el fluido de transferencia calentado A entra en el tubo 2820 a una presion y temperatura constantes, o a una temperatura y presion sustancialmente constantes. Esto puede conseguirse mediante el control y ajuste del caudal de fluido de transferencia de calor contenido en el medio de regulacion de calor (que puede ser grafito sintetico o grafito no sintetico, por ejemplo), segun sea necesario. El fluido de transferencia de calor A (que es vapor o, en otras realizaciones, puede ser un gas inerte o no inerte) que emerge desde el tubo 2820 acciona la turbina 2821 de vapor (o la turbina 2821 de gas, cuando el fluido de transferencia de calor A sea un gas inerte o no inerte) que, a su vez, acciona el generador electrico 2822 a traves del eje 2823.
La Figura 29A representa tres captadores solares 2900, 2901 y 2902 de la invention, que emiten respectivamente unos fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C (podrla haber, por ejemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o mas captadores - en este caso se describen 3 captadores para ilustrar diversas configuraciones), desde unos colectores AA, EE y CC respectivamente. Cada uno de los captadores 2900, 2901 y 2902 es esencialmente igual a los descritos en detalle en las Figuras 13A y 13B (o, alternativamente, podrlan ser como el descrito en detalle con referencia a la Figura 15, o podrlan ser una combination de las torres de las Figuras 13A y 13B y de la Figura 15, o variaciones de los mismos).
Como se representa en la Figura 29B, los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C de la Figura 29A se combinan en un colector 2910 a traves de unos tubos 2911, 2912 y 2913 de entrada, para formar en el colector 2910 un fluido de transferencia de calor calentado combinado. El fluido de transferencia de calor calentado combinado procedente del colector 2910 puede mezclarse con un fluido de transferencia de calor adicional, procedente de un tubo 2913A, de un colector 2911A opcional que este acoplado al colector 2910 a traves de un tubo 2912A. Alternativamente, el fluido de transferencia de calor calentado combinado procedente del colector 2910 puede calentarse con un fluido de transferencia de calor adicional, procedente de un tubo 2913A en comunicacion termica con un intercambiador 2911A de calor opcional (en lugar del colector 2911A opcional), que este acoplado al colector 2910 a traves del tubo 2912A. El fluido de transferencia de calor calentado adicional contenido en el tubo 2913A puede originar de un aparato 2914 de almacenamiento de calor que puede comprender un medio de regulacion de calor, un intercambiador de calor que comprenda tubos de evaporation o de calentamiento de un fluido de trabajo contenido en el mismo, estando los tubos en comunicacion termica con el medio de regulacion de calor, para recuperar el calor almacenado en el medio de regulacion de calor, y una o mas resistencias electricas asociadas operativamente con el medio de regulacion de calor, para calentar el medio de regulacion de calor - ejemplos de tales aparatos de almacenamiento de calor se describen en el documento WO2005088218, cuyo contenido se incorpora por referencia cruzada. La electricidad utilizada para calentar el aparato 2914 de almacenamiento de calor puede ser electricidad de las horas de menos consumo o electricidad de una fuente renovable, tal como energla eolica de un molino de viento o energla solar procedente de un aparato de conversion de energla solar en electrica, o energla hidroelectrica o energla electrica procedente de energla mareomotriz, o energla electrica derivada de una fuente geotermica de calor. El fluido de transferencia de calor calentado procedente de 2911A puede pasar a traves de un atemperador 2915 opcional, a traves de un tubo 2916, donde puede enfriarse a una temperatura deseada mediante la pulverization de gotitas de agua a traves del fluido de transferencia de calor calentado. Un tubo 2917 esta acoplado a una turbina 2918 de vapor y al atemperador 2915. La turbina 2918 de vapor esta acoplada a un generador electrico 2920 (ca o cc) a traves de un eje 2919. Durante el uso, los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C (que pueden ser gas o vapor) entran en el colector 2911, 2912 y 2913, para formar un fluido de transferencia de calor combinado calentado. El fluido de transferencia de calor combinado puede combinarse con un fluido de transferencia de calor calentado adicional, en el colector 2911A opcional o, si se usa un segundo intercambiador 2911A de calor opcional en lugar del colector 2911A, el fluido de transferencia de calor combinado puede calentarse a una temperatura deseada. Posteriormente, la temperatura del fluido de transferencia calentado combinado puede ajustarse en el atemperador 2915. El fluido de transferencia calentado combinado contenido en el tubo 2917 puede estar a una presion y temperatura constantes, o a una temperatura y presion sustancialmente constantes. Esto se puede lograrse mediante el control y ajuste necesarios del caudal de fluido de transferencia de calor hacia los medios de regulacion de calor de los captadores 2900, 2901 y 2902, segun se requiera. El vapor que sale del tubo 2917 acciona la turbina 2918 de vapor que, a su vez, acciona el generador electrico 2920 (que puede ser de ca o de cc), a traves del eje 2919.
Como se representa en la Figura 29C, los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C de la Figura 29A pasan a traves de un bloque 2950 de soporte, a traves de unos tubos 2951, 2952 y 2953 de entrada, hacia un atemperador 2954 opcional a traves de unos tubos 2955, 2956 y 2957, donde pueden ajustarse (es decir, enfriarse) las temperaturas de los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C, segun sea necesario. Los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C con temperatura ajustada pasan entonces a traves de un intercambiador 2958 de calor, por unos tubos 2959, 2960 y 2961 que estan en comunicacion termica con el intercambiador 2958 de calor. A medida que el fluido de transferencia de calor contenido en los tubos 2959, 2960 y 2961 pasa a traves del intercambiador 2958 de calor, transfiere su calor al agua contenida en un tubo 2962, convirtiendola de este modo en vapor. Los fluidos de transferencia de calor contenidos en los tubos 2959, 2960 y 2961 pueden estar a una presion y temperatura constantes, o sustancialmente constantes, en cuyo caso el vapor generado en el tubo 2962 (que tambien se suministra habitualmente a una presion y temperatura constantes) tambien estara a una presion y temperatura constantes o sustancialmente constantes. El vapor que sale del tubo 2962 puede utilizarse para cualquier uso deseado, tal como un uso industrial o para accionar una turbina de vapor (no mostrada) que, a su vez,
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puede accionar un generador electrico (no mostrado). Despues de pasar a traves del intercambiador 2958 de calor, el fluido de transferencia de calor contenido en los tubos 2959, 2960 y 2961 puede pasar a unos refrigeradores (no mostrados) en los que se enfriara, y luego puede pasar a unos compresores (no mostrados) en los que se comprimira. El fluido de transferencia de calor enfriado y comprimido puede reciclarse entonces hasta las entradas B, F y D, respectivamente, de los colectores de la Figura 29A.
Como se representa en la Figura 29D, los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C de la Figura 29A se combinan en un colector 2980, a traves de unos tubos 2981, 2982 y 2983 de entrada, para formar un fluido de transferencia de calor calentado combinado en el colector 2980. El fluido de transferencia de calor calentado combinado procedente del colector 2980 puede pasar a traves de un atemperador 2984 opcional, a traves de un tubo 2985, en el puede enfriarse a una temperatura deseada mediante la pulverizacion de gotitas de agua en el fluido combinado de transferencia de calor calentado. Un tubo 2986 esta acoplado al intercambiador 2987 de calor y al atemperador 2984, y esta en comunicacion termica con un intercambiador 2987 de calor. El intercambiador 2987 de calor esta acoplado a un refrigerador 2988 a traves de un tubo 2989. Un compresor 2990 esta acoplado al refrigerador 2988 mediante un tubo 2991. Un divisor 2992 esta acoplado al compresor 2990, mediante un tubo 2993. El intercambiador 2987 de calor tiene un tubo 2994, que esta en comunicacion termica con el intercambiador 2987 de calor. Durante el uso, los fluidos de transferencia de calor calentados A, E y C (que pueden ser gas o vapor) entran en los colectores 2981, 2982 y 2983 para formar un fluido de transferencia de calor combinado calentado. Posteriormente, la temperatura del fluido de transferencia calentado combinado puede ajustarse en un atemperador 2984. El fluido de transferencia calentado combinado contenido en el tubo 2986 puede estar a una presion y temperatura constantes, o a una presion y temperatura sustancialmente constantes. Esto puede lograrse mediante el control y ajuste necesarios del caudal de fluido de transferencia de calor hacia los medios de regulacion de calor de los captadores 2900, 2901 y 2902, segun se requiera. En el intercambiador 2987 de calor, el calor del fluido de transferencia de calor calentado combinado, contenido en el tubo 2986, se transfiere al agua contenida en el tubo 2994, para formar vapor que se emitira desde el intercambiador 2987 de calor. El vapor de salida puede estar a una presion y temperatura constantes, o a una presion y temperatura sustancialmente constantes. El vapor que sale del tubo 2995 puede utilizarse como vapor para cualquier uso requerido, o puede usarse para accionar una turbina de vapor (no mostrada) que, a su vez, puede accionar un generador electrico (no mostrado - que puede ser de ca o de cc) a traves de un eje (no mostrado). El fluido de transferencia de calor combinado que sale del intercambiador 2987 de calor pasa a traves del tubo 2989 hasta un refrigerador 2988, en el que se enfrla a una temperatura deseada, y desde all! a un compresor 2990 (en el que se comprime) y despues a un divisor 2992, que divide el fluido de transferencia de calor combinado en unos fluidos de transferencia de calor B, F y D que se reciclan a las respectivas entradas de los captadores 2900, 2901 y 2902, como se muestra en la Figura 29A.

Claims (17)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un captador solar, que comprende:
    un medio (2) de regulacion de calor, que define una cavidad (1265) en el mismo y que tiene una abertura (9) que comunica con la cavidad, para permitir que la energla solar incidente sobre la abertura (9) entre en la cavidad a traves de la abertura (9), estando dicho medio (2) de regulacion de calor dispuesto dentro de una carcasa (10); una atmosfera de gas y/o de baja presion dentro de la carcasa (10), siendo dicho gas un gas que no reacciona sustancialmente con el medio (2) de regulacion de calor a la temperatura maxima de operacion del medio (2); un dispositivo (1) de captation de energla, dispuesto en la cavidad y en contacto termico con el medio (2) de regulacion de calor, para captar la energla solar que entra en la cavidad; y
    un intercambiador (3) de calor, en contacto termico con el medio (2) de regulacion de calor; caracterizado porque el medio (2) de regulacion de calor comprende grafito, partlculas de grafito embebidas en una matriz termoconductora, carbono puro o una mezcla de cualquiera de dos o mas de los mismos.
  2. 2. El captador solar de la reivindicacion 1, que comprende una capa protectora sobre una superficie del dispositivo de captacion de energla, que hace contacto con la cavidad.
  3. 3. El captador solar de la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el intercambiador de calor comprende una tuberla (3) de intercambio de calor que puede aceptar un fluido de transferencia de calor, en el que la tuberla de intercambio de calor esta embebida al menos parcialmente en el medio de regulacion de calor, y en el que diferentes porciones de la tuberla de intercambio de calor estan embebidas en el medio de regulacion de calor, a diferentes distancias del dispositivo de captacion de energla.
  4. 4. El captador solar de la reivindicacion 3, en el que el medio (2) de regulacion de calor esta formado por una pluralidad de placas (1110) reguladoras de calor contiguas, teniendo al menos algunas de dichas placas unas ranuras (1150) en las mismas, de modo que la tuberla (3) de intercambio de calor quede dispuesta dentro de dichas ranuras.
  5. 5. El captador solar de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una pantalla protectora (11, 1250) dispuesta por debajo de la carcasa (1225) para proteger una portion inferior de la carcasa contra los danos, teniendo dicha pantalla protectora una abertura (9, 1255) de pantalla protectora para permitir que la energla solar pase a traves de la pantalla protectora, hacia el interior de la cavidad (1265).
  6. 6. El captador solar de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende un tapon extralble (1460) para impedir una re-radiacion desde la cavidad (1453).
  7. 7. El captador solar de la reivindicacion 6, que comprende un mecanismo (1465) de insertion de tapon para insertar y retirar el tapon (1460), en el que el mecanismo de insercion de tapon esta acoplado a un controlador (1410) de modulo, pudiendo dicho controlador de modulo controlar el mecanismo de insercion de tapon, a fin de insertar el tapon en los momentos en los que deje de dirigirse la energla solar a la abertura (1450), y para retirar el tapon en los momentos poco antes de que comience a dirigirse la energla solar a la abertura.
  8. 8. El captador solar de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende adicionalmente un concentrador (21) de energla solar capaz de concentrar la energla solar, y que esta dispuesto de manera que pueda dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura (9) y hacia el interior de la cavidad (1265).
  9. 9. El captador solar de la reivindicacion 8, que comprende adicionalmente un dispositivo de seguimiento para desplazar el concentrador (21) de energla solar, o una o mas partes del mismo, para dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura (9) del captador solar y hacia el interior de la cavidad (1265) del mismo.
  10. 10. El captador solar de la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9, en el que el concentrador de energla solar comprende un conjunto de reflectores (1520).
  11. 11. El captador solar de la reivindicacion 10, que comprende una estructura (12) de soporte sobre la que esta montada la carcasa (10), en el que la estructura de soporte comprende una torre (1305) y la carcasa esta montada sobre dicha torre, por medio de al menos tres postes (1310) sustancialmente verticales, y en el que dicho conjunto comprende un pasillo correspondiente a cada uno de los postes (1310, 1515) sustancialmente verticales, estando dichos pasillos exentos de reflectores en los mismos, de modo que el conjunto pueda dirigir la energla solar concentrada entre los postes y a traves de la abertura (1535).
  12. 12. El captador de energla solar de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende un controlador (1410) de modulo para controlar la operacion del captador de energla solar, en el que dicho controlador de modulo puede controlar al menos uno de:
    el movimiento del concentrador (21) de energla solar, para dirigir la energla solar concentrada a traves de la abertura (9) y hacia el interior de la cavidad (1265), si es necesario, o para colocar el concentrador de energla solar, o al menos un reflector (1455) de dicho concentrador de energla solar, en una orientation de no captacion
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    si fuera necesario;
    la insercion o extraccion de un tapon (1460), si esta presente, en la abertura (9) o en una abertura (1450) de pantalla protectora, si esta presente; la entrada de agua en el captador; y la salida de agua caliente o de vapor del captador.
  13. 13. El captador de energla solar de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que el intercambiador (3) de calor esta acoplado a un generador (37) de electricidad que puede ser accionado mediante un fluido de transferencia de calor calentado, de manera que, en uso, la energla solar incidente sobre el concentrador se transmite en forma de calor a un fluido de transferencia de calor, contenido en el intercambiador de calor, fluido de intercambio de calor que es transferido al generador de electricidad para generar electricidad.
  14. 14. Un procedimiento para captar y regular energla solar, comprendiendo dicho procedimiento:
    a) proporcionar un captador de energla solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13; y
    b) controlar el concentrador (21) de energla solar, para dirigir la energla solar concentrada hacia la abertura (9) y permitir as! que la energla solar incida sobre el dispositivo (1) de captacion de energla solar;
    concentrando de este modo dicha energla solar sobre el dispositivo (1) de captacion de energla, para calentar el medio (2) de regulacion de calor.
  15. 15. El procedimiento de la reivindicacion 14, en el que el concentrador de energla solar comprende un conjunto de reflectores (1520), y en el que la etapa de control comprende detectar una temperatura en una posicion dentro del captador de energla solar y, si es necesario, orientar al menos uno de dichos reflectores a una orientacion de no captacion a fin de evitar que dicha temperatura supere un llmite superior predeterminado.
  16. 16. El procedimiento de la reivindicacion 14 o la reivindicacion 15, que comprende adicionalmente las etapas de:
    c) controlar el concentrador (21) de energla solar de manera que dicho concentrador este en una orientacion de no captacion; y
    d) insertar un tapon (1460) en la abertura (9) del captador de energla solar, o en la abertura (1450) de pantalla protectora situada en la pantalla protectora (1445), si esta presente, para restringir la perdida de calor desde la cavidad (1453) del captador de energla solar;
    cuando no se desee captar energla solar, y que comprende adicionalmente las etapas de:
    e) retirar el tapon (1460) para permitir que la energla termica concentrada entre en la cavidad (1453) a traves de la abertura (1450); y
    f) controlar el concentrador (21) de energla solar, de modo que dicho concentrador quede en una orientacion de captacion en la que dirija la energla solar concentrada a traves de la abertura (1450) al interior de la cavidad (1453);
    cuando se desee captar nuevamente la energla solar.
  17. 17. Un procedimiento de preparacion de un captador solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, comprendiendo dicho procedimiento:
    proporcionar un tubo (3) de intercambio de calor que comprenda una pluralidad de porciones de tuberla paralelas, dispuestas alrededor de un dispositivo (1) de captacion de energla y montadas sobre una base (12), comprendiendo dicho dispositivo de captacion de energla cuatro paneles rectangulares verticales, dispuestos en un cuadrado, y una parte superior cuadrada unida a un borde horizontal superior de los cuatro paneles verticales;
    y
    ensamblar entre dichas porciones de tuberla una pluralidad de placas (1110) del medio de regulacion de calor, de manera que el medio de regulacion de calor haga contacto con las cuatro caras verticales exteriores y con la parte superior del dispositivo de captacion de energla.
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