ES2783725B2 - Sistema de concentración solar - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de concentración solar
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de concentración solar perteneciente al campo de la tecnología termosolar de muy alta temperatura, en operación por encima de los 580°C, de especial aplicación en sistemas de concentración solar de discos Stirling.
Antecedentes de la invención
Un sistema de concentración solar de disco Stirling está formado por un concentrador solar de alta reflectividad que sigue al sol, normalmente parabólico o esférico, que refleja con alta densidad energética hacia un foco la radiación solar que incide sobre su superficie reflectora, un receptor solar y un motor Stirling que se acopla a un generador. En estos sistemas se produce el calentamiento de un fluido de trabajo, normalmente gaseoso, localizado en el receptor, hasta una temperatura adecuada para que la energía absorbida por el fluido pueda ser empleada para la generación de energía mecánica por el motor Stirling. Un generador eléctrico acoplado al eje de salida del motor transforma la energía mecánica del eje de salida en energía eléctrica.
En la tecnología de disco Stirling, una adecuada precisión óptica es crucial para garantizar el funcionamiento del equipo y la integridad de los materiales debido a la alta densidad energética registrada, por encima de los 1000kW/m2. Al contrario que en el caso de la tecnología de colector cilindro parabólica o de torre, el punto de enfoque está localizado en una superficie muy reducida. Por ello, un error en el apunte significa la pérdida de la totalidad o de un gran porcentaje de la potencia incidente o bien la creación de un “punto caliente” que dañe el sistema. Concentrar la energía solar en un punto en el cual no se encuentra el receptor, o simplemente redistribuir esa energía de una forma no deseada por la superficie del receptor repercute directamente en la eficiencia del disco Stirling y por tanto en la rentabilidad de la tecnología. En algunos diseños en los que además parte de la estructura se encuentra cercana al foco, una mala distribución de la potencia debido a una baja calidad del apunte puede incluso significar el colapso del disco entero por calentamiento excesivo de partes estructurales.
Esta precisión óptica puede verse reducida por un diseño deficiente que implique la aparición de deformaciones importantes cuando el sistema se encuentra en operación, por el efecto de las cargas mecánicas del disco al girar en elevación o en azimut, como ocurre en los diseños que existen en el estado de la técnica.
Se conocen numerosos sistemas de concentración solar de tipo disco.
El documento DE 8415444 U1 describe un reflector, en particular para antenas, concentradores de energía solar y similares, con una superficie reflectora cóncava y curvada de facetas de vidrio fijas y ajustables y una cúpula de red de varillas resistente a la presión y al cizallamiento, recubierta de las facetas de vidrio, estando el reflector montado sobre un soporte giratorio. La cúpula rígida a presión y cizallamiento está acoplada a otra cúpula trasera mediante un anillo común, mediante el cual la cúpula rígida a presión y cizallamiento, que sólo es rígida a presión y cizallamiento, obtiene una estabilidad a la deformación.
El documento WO 2014/037599 A1 se refiere a una estructura para sistema de concentración solar puntual parabólico, y a un sistema de concentración que incorpora dicha estructura, que presenta mayor ligereza y permite una mayor facilidad de montaje. Comprende a) una subestructura de anclaje al suelo; b) una subestructura de seguimiento, montada sobre la subestructura de anclaje y giratoria respecto de ella en torno a un eje acimutal; c) una subestructura de arrastre que comprende dos aros coaxiales formados por una pluralidad de segmentos estampados ensamblados, estando dichos aros unidos por tirantes; siendo la subestructura de arrastre cenitalmente giratoria respecto de la subestructura de seguimiento; d) una subestructura portadora, en forma de cuna, destinada a soportar una superficie reflectora; y e) una subestructura de conexión, modular, fabricada con elementos estampados, sobre la que está montada la subestructura portadora, y fijada en el interior de la subestructura de arrastre. En este sistema, gran parte de la subestructura de seguimiento está expuesta a posibles desviaciones de la potencia reflejada, al tratarse de una configuración en anillo completo. Esta característica del diseño pone en riesgo la integridad del equipo y no permite colocar el foco en la posición más adecuada para optimizar la eficiencia del motor térmico.
Estos sistemas aportan diferentes propuestas que reflejan hacia un foco la radiación que incide sobre la superficie reflectora. No obstante, en estos sistemas, los esfuerzos debidos a las cargas actuantes en las estructurassituadas en el foco así como los propios de la estructura principal se transmiten directamente a la óptica de la instalación, deformándose la estructura óptica excesivamente y de diferentes maneras según la elevación del motor ubicado en el foco, lo cual disminuye su precisión. Puesto que la precisión óptica es el aspecto fundamental de esta tecnología, una disminución de la precisión y especialmente en la estabilidad óptica puede hacer que un sistema no resulte eficaz.
Sumario de la invención
El objeto de la presente invención es, por tanto, proporcionar un sistema de concentración solar que resuelva las deficiencias mencionadas en los sistemas de concentración solar de tipo disco de la técnica anterior.
La invención proporciona un sistema de concentración solar, que comprende
- una subestructura de anclaje,
- unos medios de accionamiento azimutal,
- una subestructura de seguimiento con elementos de rodadura, que rota sobre un eje vertical mediante los medios de accionamiento azimutal y se encuentra sobre la subestructura de anclaje,
- unos medios de accionamiento en elevación,
- una subestructura deslizante de arrastre, que comprende al menos un aro abierto y una subestructura de refuerzo, y dispuesta de modo que puede deslizar sobre los elementos de rodadura de la subestructura de seguimiento por efecto de los medios de accionamiento en elevación,
- una subestructura autoportante,
- una superficie reflectora soportada directamente sobre la subestructura autoportante, - una subestructura de soporte, y
- un receptor solar soportado por la estructura de soporte,
en el que la subestructura autoportante está montada sobre la subestructura deslizante de arrastre y la subestructura de soporte para el receptor se encuentra unida a la subestructura deslizante de arrastre en una de las zonas extremas de ésta.
La configuración del sistema de concentración solar de la invención evita que la superficie reflectora sufra deformaciones originadas tanto por los esfuerzos mecánicos debidos al balanceo continuo en elevación del sistema como por las cargas debidas al receptor solar y a los elementos conectados a él.
Esto se consigue gracias a dos características del diseño.
En primer lugar, gracias a la configuración autoportante de la subestructura que soporta la superficie reflectora. Esta subestructura autoportante reposa sobre la subestructura deslizante de arrastre repartiendo todo su peso uniformemente sobre ella, de manera que no perciben solicitaciones estructurales más allá de las de su propio peso: el sistema es accionado pero el movimiento no repercute en la calidad de la óptica. El conjunto de las solicitaciones estructurales adicionales (ya sea por cargas en el foco o por el sistema de accionamientos del disco) es asumido por la subestructura deslizante de arrastre. A efectos de esfuerzos mecánicos sobre la óptica, el sistema es equivalente a apoyar esta última directamente sobre una estructura que no se deforma o que lo hace de forma despreciable para la aplicación que nos ocupa. Por tanto, la ventaja proporcionada por esta configuración mecánica es que se minimiza completamente el efecto sobre la óptica de las cargas mecánicas del disco al girar en elevación o en azimut.
En segundo lugar, gracias a la configuración de la subestructura de soporte para el receptor solar, los esfuerzos derivados de los elementos ubicados en el foco (receptor, motor Stirling, etc.) se transmiten directamente a la subestructura deslizante de arrastre -carriles-, considerablemente más robusta e independiente, logrando por tanto que la superficie reflectora no se vea afectada por deformaciones diferentes de las de su propio peso.
Esto permite dotar a la óptica del sistema de una mayor robustez con un aumento considerable del rendimiento del concentrador solar. Esto es así incluso en los puntos de operación de mayor elevación del disco, así como en los casos en los que haya que emplear cargas elevadas en la ubicación del receptor solar (por ejemplo, motores pesados, depósitos, etc.). Por tanto, el presente sistema resuelve el problema crucial de la estabilidad óptica.
La invención también presenta una serie de ventajas con respecto a la técnica anterior:
- El diseño de la subestructura deslizante de arrastre es tal que ningún componente de la misma puede verse expuesto a la alta concentración térmica entregada por la superficie reflectora, tanto en operación normal como en caso de fallo de alimentación o de operación. Esta configuración del diseño dota a la instalación de una seguridad añadida ya que salvaguarda la integridad de la misma. Una desviación de la concentración térmica hacia la estructura provocaría un sobrecalentamiento de esta por encima del límite de los materiales, provocando deformaciones y/o daños irreversibles al sistema con riesgo de colapso debido a las altas densidades energéticas por encima de los 1000Kw/m2.
- Al no interponerse partes estructurales entre la superficie reflectora y el receptor solar se aumenta la eficiencia del conjunto, ya que se maximiza la energía entregada al receptor para una misma área de superficie reflectora, al no haber interferencias que supongan pérdidas térmicas.
- La superficie reflectora reposa directamente mediante la subestructura autoportante sobre la estructura principal, al contrario que en otros diseños del estado de la técnica, que requieren de dos estructuras independientes. Esto implica que la superficie reflectora está mejor soportada, con un coste inferior, y además reduce los errores ópticos que se puedan dar por acumulación de errores estructurales al adicionarse varias estructuras.
- Todo el peso del conjunto formado por la subestructura autoportante y la superficie reflectora está repartido a través de los ejes deslizantes. Esto permite que para obtener la misma precisión óptica que en otras configuraciones del estado de la técnica, sea necesario emplear una cantidad considerablemente más reducida de material (por ejemplo, acero), reduciendo así los costes y obteniendo un diseño más competitivo con el resto de tecnologías.
- La configuración propuesta no presenta limitaciones máximas al tamaño del disco, como ocurre en el caso de las configuraciones con celosías y aros de circunferencia cerrada. Al no presentar limitaciones, el diseño puede escalarse fácilmente para adaptarse a los requerimientos ópticos de motores de mayor o menor potencia térmica.
- La configuración propuesta a modo de sistema con una subestructura autoportante y una subestructura deslizante dota al sistema de una robustez excepcional que permite la operación de la instalación incluso bajo los efectos de fuertes cargas de viento, ya que el peso de la superficie autoportante está soportado de forma distribuida sobre la subestructura deslizante de arrastre.
- En situaciones de emergencia, en caso de muy alta velocidad de viento, es imprescindible que el sistema conste de una posición de seguridad en la cual no exista riesgo para las personas ni para la instalación. En el diseño propuesto, la posición de seguridad, en la cual la subestructura deslizante de arrastre está orientada tal que la subestructura autoportante reposa horizontalmente, permite una distribución de cargas óptimas mediante la cual se reduce el efecto de las cargas de viento sobre la instalación.
- La superficie reflectora se encuentra a una reducida distancia del suelo, basculando de forma controlada sobre la estructura de anclaje. Esto lo convierte en un diseño altamente robusto, gracias al cual se consigue que los movimientos sean controlados y de precisión.
- La configuración del concentrador solar en forma de sistema con una subestructura autoportante y una subestructura deslizante, deslizando la subestructura de arrastre por la subestructura de seguimiento mediante unos elementos de rodadura, dota al conjunto de una robustez superior a los diseños con configuración de pilar. Esta robustez permite una calidad y precisión ópticas superiores dado que se reducen las deformaciones propias al peso de los elementos que conforman el conjunto formado por la subestructura autoportante y la superficie reflectora. La ausencia de estas deformaciones permite un mayor aprovechamiento de la potencia reflejada, y por tanto un aumento considerable del rendimiento del disco Stirling.
Otras realizaciones ventajosas de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de las figuras
A continuación, se describirá una realización ilustrativa, y en ningún sentido limitativa, del objeto de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La figura 1 muestra una vista lateral del sistema de concentración solar de la invención.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva del sistema de concentración solar de la invención.
La figura 3 muestra otra vista en perspectiva y en otra posición del sistema de concentración solar de la invención.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva del sistema de concentración solar de la invención, sin algunos elementos.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1, 2 y 3 son diversas vistas del sistema de concentración solar de la invención, en el que se puede observar una superficie reflectora 1 (que puede adoptar forma de parábola, como se representa en las figuras 2 y 3) y un receptor solar 2. Cuando se encuentra en funcionamiento, la radiación solar que incide sobre la superficie reflectora 1 se refleja en ella y llega al receptor solar 2.
El sistema de concentración solar también comprende una estructura, que a su vez está compuesta de varias subestructuras, como puede comprobarse en las figuras 1 a 3
- una subestructura de anclaje 3, para fijar el sistema al suelo.
- una subestructura de seguimiento 4 con elementos de rodadura 9, que rota sobre un eje vertical mediante unos medios de accionamiento azimutal 14 y se encuentra sobre la subestructura de anclaje 3,
- una subestructura deslizante de arrastre 5, que comprende al menos un aro abierto 10 y una subestructura de refuerzo 6, y dispuesta de modo que puede deslizar sobre los elementos de rodadura 9 de la subestructura de seguimiento 4 por efecto de unos medios de accionamiento 11,
- una subestructura autoportante 7 que soporta la superficie reflectora 1 directamente, y
una subestructura de soporte 8 para el receptor solar 2
La subestructura deslizante de arrastre 5 comprende al menos un aro abierto 10 y una subestructura de refuerzo 6 (véase la figura 4), cuya función es proporcionarle rigidez. Dicha subestructura de refuerzo 6 puede ser una estructura articulada (como en las figuras), un elemento sólido o un elemento con perforaciones.
Como se puede observar en las figuras 1 a 3, la estructura de soporte 8 para el receptor solar 2 se encuentra unida a la subestructura deslizante de arrastre 5 en una de las zonas extremas de ésta, siendo dichas zonas extremas las situadas en las proximidades de los extremos de la subestructura deslizante de arrastre donde también se encuentran los extremos de los aros abiertos 10.
De este modo las posibles deformaciones tendrían lugar en una de las zonas extremas de la subestructura deslizante de arrastre 5, lo que tampoco afectaría a la óptica del sistema ni a la rodadura de la subestructura deslizante de arrastre 5 sobre los elementos de rodadura 9 de la subestructura de seguimiento 4.
Para realizar el montaje del sistema de concentración solar se lleva a cabo la instalación de las diferentes subestructuras mencionadas anteriormente. Al tratarse de una estructura modular, formada por varias subestructuras, su montaje resulta más rápido, ya que gran parte del trabajo de ensamblaje puede venir hecho y no es necesario realizarlo in situ, lo que optimiza la calidad estructural, y por tanto óptica, del sistema.
El receptor solar 2 puede estar conectado con un sistema que opera a temperatura superior a 580°C y con densidad energética superior a 1000kW/m2, como, por ejemplo, un motor Stirling, una microturbina, un motor de hidrógeno o un sistema de producción de hidrógeno por disociación de agua, todas aplicaciones solares que precisan de una densidad energética uniforme lo que se consigue con una óptica suficientemente estable en todas las posiciones de elevación y azimut lo que se consigue con la presente invención.
Según una realización de la invención, el receptor solar 2 se encuentra sobre un elemento móvil 12 (por ejemplo, un carro) dotado de movimiento relativo con respecto a la subestructura de soporte 8.
El elemento móvil 12 puede desplazarse sobre la subestructura de soporte 8. De este modo, en el caso de tener una superficie reflectora 1 parabólica, el receptor solar 2 podría estar ubicado en una posición desplazada con respecto al foco, ya que, a lo largo de la operación del sistema, no siempre interesa ubicarlo exactamente en el foco, en función del nivel de potencia entregado por el concentrador. Asimismo, la posición relativa del receptor solar podría ajustarse cuando por cualquier motivo se hubieran producido deformaciones en la superficie reflectora 1 que provocasen un desplazamiento del punto focal.
El desplazamiento del receptor solar sobre la subestructura de soporte 8 permite regular su posición relativa con respecto al punto de máxima concentración de la energía solar reflejada por la superficie reflectora 1. Esto permite regular fácil y rápidamente la cantidad de potencia incidente sobre el receptor solar, siendo esto de gran utilidad tanto para garantizar la seguridad de la instalación como para optimizar la operación del concentrador solar al tratarse de una aplicación de alta densidad energética por encima de los 1000kW/m2.
Según otra realización de la invención el receptor solar 2 se encuentra en el extremo de la subestructura de soporte 8 que está más alejado de la subestructura deslizante de arrastre 5. En la realización mostrada en la figura 1, dicho extremo es el extremo libre de la subestructura de soporte 8, es decir, el extremo opuesto a la unión entre la subestructura de soporte 8 y la subestructura deslizante de arrastre 5.
Según otra realización, la subestructura deslizante de arrastre 5 comprende en una de sus zonas extremas una subestructura de conexión 15 sobre la que se monta la subestructura de soporte 8.
La superficie reflectora 1 es preferentemente una superficie de forma parabólica o esférica.
Según otra realización, el sistema de concentración solar comprende adicionalmente una estructura intermedia de acoplamiento (no representada) situada entre la subestructura deslizante de arrastre 5 y la subestructura autoportante 7. Esta estructura intermedia de acoplamiento puede estar formada por amortiguadores, silentblocks, capas de estructura metálica o espuma tipo foam.
Según otras realizaciones, la subestructura de refuerzo 6 puede ser una estructura articulada, un elemento sólido o un elemento con perforaciones.
Aunque se han descrito y representado unas realizaciones del invento, es evidente que pueden introducirse en ellas modificaciones comprendidas dentro del alcance del mismo, no debiendo considerarse limitado éste a dichas realizaciones, sino únicamente al contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Sistema de concentración solar, que comprende:
    - una subestructura de anclaje (3),
    - unos medios de accionamiento azimutal (14),
    - una subestructura de seguimiento (4) con elementos de rodadura (9), que rota sobre un eje vertical mediante los medios de accionamiento azimutal (14) y se encuentra sobre la subestructura de anclaje (3),
    - unos medios de accionamiento en elevación (11),
    - una subestructura deslizante de arrastre (5), que comprende al menos un aro abierto (10) y una subestructura de refuerzo (6), y dispuesta de modo que puede deslizar sobre los elementos de rodadura (9) de la subestructura de seguimiento (4) por efecto de los medios de accionamiento en elevación (11),
    - una subestructura autoportante (7),
    - una superficie reflectora (1) soportada directamente sobre la subestructura autoportante (7),
    - una subestructura de soporte (8), y
    - un receptor solar (2) soportado por la estructura de soporte (8)
    caracterizado por que la subestructura autoportante (7) está montada sobre la subestructura deslizante de arrastre (5) y por que la subestructura de soporte (8) para el receptor (2) se encuentra unida a la subestructura deslizante de arrastre (5) en una de las zonas extremas de ésta.
  2. 2. - Sistema de concentración solar según la reivindicación 1, en el que el receptor solar (2) está conectado con un sistema que opera a temperatura superior a 580°C y con densidad energética superior a 1000kW/m2.
  3. 3. - Sistema de concentración solar según la reivindicación 2, en el que el sistema que opera a temperatura superior a 580°C y con densidad energética superior a 1000kW/m2 es un motor Stirling.
  4. 4. - Sistema de concentración solar según la reivindicación 2, en el que el sistema que opera a temperatura superior a 580°C y con densidad energética superior a 1000kW/m2 es una microturbina, un motor de hidrógeno o un sistema de producción de hidrógeno por disociación de agua.
  5. 5. - Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el receptor solar (2) se encuentra sobre un elemento móvil (12) con movimiento relativo con respecto a la subestructura de soporte (8).
  6. 6. - Sistema de concentración solar según la reivindicación 5, en el que el elemento móvil (12) es un carro que puede desplazarse sobre unos raíles (13) situados en la subestructura de soporte (8).
  7. 7. - Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el receptor solar (2) se encuentra en el extremo de la subestructura de soporte (8) que está más alejado de la subestructura deslizante de arrastre (5).
  8. 8. - Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie reflectora (1) es una superficie de forma parabólica.
  9. 9. - Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente una estructura intermedia de acoplamiento situada entre la subestructura deslizante de arrastre (5) y la subestructura autoportante (7).
  10. 10. - Sistema de concentración solar según la reivindicación 8, en el que la estructura intermedia de acoplamiento está formada por amortiguadores, silentblocks, capas de estructura metálica o espuma tipo foam.
  11. 11. - Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente una estructura intermedia de acoplamiento (15) situada entre la subestructura deslizante de arrastre (5) y la subestructura de soporte (8).
  12. 12.- Sistema de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la subestructura de refuerzo (6) es una estructura articulada, un elemento sólido o un elemento con perforaciones.
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