ES3036242A1 - Sistema de recuperación de calor - Google Patents
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Abstract
Sistema de recuperación de calor que comprende: una tubería principal (1) configurada para que circule un flujo de fluido caliente procedente de la instalación industrial por su interior, donde la tubería principal (1) comprende una pluralidad de orificios (2); una pluralidad de tubos de luz (3) dispuestos atravesando los correspondientes orificios (2), de manera que un primer extremo (4) y un segundo extremo (5) de cada tubo de luz (3) se encuentran, respectivamente, situados en correspondencia con el interior y con el exterior de la tubería principal (1), donde los tubos de luz (3) están configurados para transportar fotones desde el interior de la tubería principal (1) hacia el exterior de la tubería principal (1), y; una pluralidad de células fotovoltaicas (6), donde cada célula fotovoltaica (6) se encuentra acoplada al segundo extremo (5) de al menos un tubo de luz (3).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de recuperación de calor
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un sistema de recuperación de calor que permite recuperar energía térmica de un fluido en un proceso industrial, y transformar dicha energía térmica en energía eléctrica a partir de células fotovoltaicas.
Mediante el sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, se permite la captación de calor, en entornos industriales en donde existe un gas circulante a alta temperatura, logrando un sistema de alta eficiencia y robustez, que permite mejorar la rentabilidad de las instalaciones industriales que operan con fluidos a alta temperatura.
El sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, es de especial aplicación en cualquier industria que emplee u opere con fluidos a alta temperatura.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
La recuperación de calor en procesos industriales constituye una práctica consolidada para mejorar la eficiencia energética y reducir los costos operativos. Tradicionalmente, se han empleado intercambiadores de calor convencionales -com o los de carcasa y tubos o los denominados tubos de ca lor- que transfieren la energía térmica a un medio de trabajo (agua, aire, etc.) para su posterior aprovechamiento en otros procesos o para la generación de energía.
En el ámbito de la conversión termofotovoltaica, se han desarrollado dispositivos que aprovechan la radiación térmica para generar electricidad. En el documento WO 2023215182 A1 se describe un dispositivo termofotovoltaico en el que se incorpora una capa intermedia plana (o casi plana) dispuesta entre un emisor térmico y una célula fotovoltaica. Esta capa intermedia, constituida por un material térmicamente aislante y transparente (por ejemplo, vidrio) con un índice de refracción superior a 1.4, está diseñada para maximizar la transmisión de fotones al minimizar pérdidas por reflexión y disipación térmica.
No obstante, el dispositivo descrito en el documento citado anteriormente comprende un diseño y configuración que no son idóneos para permitir su integración en un entorno industrial que opera con tuberías que conducen un gas a alta temperatura.
Descripción de la invención
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un sistema de recuperación de calor.
El sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, comprende:
- una tubería principal configurada para conectarse a al menos una tubería de una instalación industrial, donde la tubería principal está configurada para que circule un flujo de fluido caliente procedente de la instalación industrial por el interior de la tubería principal, donde la tubería principal comprende una pluralidad de orificios;
- una pluralidad de tubos de luz (o guías ópticas), donde cada tubo de luz está dispuesto atravesando un correspondiente orificio de la tubería principal, de manera que un primer extremo de cada tubo de luz se encuentra situado en correspondencia con el interior de la tubería principal, y un segundo extremo de cada tubo de luz se encuentra situado en correspondencia con el exterior de la tubería principal, donde los tubos de luz están configurados para transportar fotones (de radiación infrarroja) desde el interior de la tubería principal hacia el exterior de la tubería principal, y;
- una pluralidad de células fotovoltaicas, donde cada célula fotovoltaica se encuentra acoplada al segundo extremo de al menos un tubo de luz.
Según una primera forma de realización del sistema de recuperación de calor, la tubería principal no comprende ningún revestimiento interno.
Según una segunda forma de realización del sistema de recuperación de calor, la tubería principal comprende un revestimiento interno compuesto por un material de almacenamiento térmico configurado para acumular calor y emitir radiación infrarroja a los tubos de luz.
En esta segunda forma de realización, el primer extremo de cada tubo de luz puede estar configurado para disponerse inmerso en el revestimiento interno de la tubería principal.
Según una tercera forma de realización del sistema de recuperación de calor, las células fotovoltaicas son bifaciales, donde cada tubo de luz presenta su segundo extremo curvado, de manera que cada célula fotovoltaica está acoplada, por cada una de sus dos caras, a un correspondiente segundo extremo curvado de un correspondiente tubo de luz.
El acoplamiento entre cada tubo de luz y la correspondiente célula fotovoltaica puede estar realizado mediante un adhesivo transparente (adhesivo óptico), preferentemente con un elevado índice de refracción.
El sistema de recuperación de calor puede comprender un subsistema de refrigeración, configurado para refrigerar las células fotovoltaicas.
La tubería principal puede estar realizada y/o puede comprender un aislamiento compuesto por un material refractario.
La invención que se ha descrito supera las limitaciones de los sistemas existentes mediante la integración sinérgica de varios elementos innovadores:
- Uso de tubos de luz (con posibilidad de que sean curvados) en un entorno industrial: la invención introduce la incorporación de tubos de luz fabricados en materiales de alta resistencia térmica (como el cuarzo) que se insertan a través de orificios en la pared o paredes de una tubería por la que circula gas a temperaturas superiores a 600 °C. La posible curvatura de estos tubos -diseñada para aproximarse a 90° (con forma de herradura o im án)-permite que ambos extremos internos queden ubicados en el interior de la tubería, maximizando la captación de calor, mientras que sus extremos externos se posicionan estratégicamente para la óptima transferencia de la radiación.
- Integración de células fotovoltaicas bifaciales: en una realización preferente, los extremos externos de dos tubos de luz se acoplan a las dos caras de una célula fotovoltaica bifacial. Esto posibilita que la célula absorba radiación desde ambos lados, aumentando significativamente la conversión de energía en electricidad. Esta estrategia de captación dual contrasta con otros posibles dispositivos que dispongan de una interfaz unidireccional y, por tanto, presenten una menor eficiencia de conversión. Además, el uso de células bifaciales en este caso permite aumentar la eficiencia, ya que la radiación térmica no absorbida por la célula seguirá su camino a través del tubo de luz hasta ser devuelto a la fuente térmica, aumentando la eficiencia del sistema.
- Aislamiento térmico y gestión avanzada del calor: el entorno industrial se aísla térmicamente mediante el uso de materiales como ladrillos refractarios o lanas cerámicas, y los tubos de luz se introducen a través, lo que reduce sustancialmente las pérdidas de calor al entorno. Este aislamiento no solo optimiza la transferencia de energía hacia los tubos de luz, sino que también protege los componentes sensibles, como las células fotovoltaicas, frente a condiciones extremas y ambientes corrosivos.
- Incorporación de materiales de almacenamiento térmico: en otra realización de la invención, la pared o paredes internas de la tubería pueden incorporar materiales de almacenamiento térmico. Dichos materiales permiten acumular calor y liberarlo de forma gradual, de modo que se emita radiación incluso en ausencia de un flujo continuo de gas caliente. Esta característica extiende el periodo de generación eléctrica sin necesidad de incrementar el área activa de las células fotovoltaicas, ofreciendo así una conversión de energía más estable y prolongada.
- Optimización de la transmisión óptica mediante interfaces especializadas:
el acoplamiento entre el extremo del tubo de luz y la célula fotovoltaica se puede realizar mediante el uso de adhesivos ópticos o nanoestructuras que aseguran una continuidad del índice de refracción en la interfaz, minimizando las pérdidas por reflexión. Esta optimización permite maximizar la cantidad de radiación transmitida y, por ende, la eficiencia en la conversión de energía térmica en energía eléctrica.
En resumen, la presente invención ofrece una solución única para la recuperación de calor en entornos industriales. La combinación de tubos de luz (con posibilidad de que sean curvados), células fotovoltaicas (con posibilidad de que sean bifaciales), un aislamiento térmico optimizado, la incorporación de materiales de almacenamiento térmico y la mejora de la interfaz óptica permite superar las limitaciones de los dispositivos termofotovoltaicos convencionales, proporcionando un sistema de conversión de energía térmica a eléctrica de alta eficiencia y robustez.
Breve descripción de las figuras
Se describen aquí de forma breve una serie de figuras, de ejemplos no limitativos, que ayudan a comprender mejor la invención:
La Figura 1 muestra una vista esquemática de una primera forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención.
La Figura 2 muestra una vista esquemática de una segunda forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención.
La Figura 3 muestra una vista esquemática de una posible tercera forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención.
Descripción detallada
Se procede a continuación a hacer una descripción de posibles formas de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención.
El dispositivo o sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, comprende una tubería principal (1) (o conducto principal) configurado para conectarse a una instalación industrial en la cual se emplean tuberías por las cuales circula un fluido a alta temperatura.
Así pues, la tubería principal (1) comprende uno o dos extremos configurados para acoplarse a dichas tuberías de una instalación industrial.
La tubería principal (1) está pues configurada para que circule a través de ella un fluido a alta temperatura (típicamente, un gas caliente a una temperatura superior a 600 °C).
La tubería principal puede estar realizada y/o comprender un aislamiento compuesto por un material refractario (9) tal como ladrillos refractarios o lana cerámica. De esta forma, se permite mejorar la eficiencia térmica del sistema, minimizando la pérdida de calor.
La tubería principal (1) comprende una pluralidad de orificios (2) a través de los cuales discurren correspondientes tubos de luz (3) (o guías ópticas) configuradas para transportar fotones desde el interior de la tubería principal (1) hacia el exterior de la tubería principal (1).
Estos tubos de luz (3) están fabricados en material transparente y resistente a altas temperaturas.
Un primer extremo (4) (o extremo interno) de cada tubo de luz (3) se encuentra situado en correspondencia con el interior de la tubería principal (1), mientras que un segundo extremo (5) (o extremo externo) de cada tubo de luz (3) se encuentra situado en correspondencia con el exterior de la tubería principal (1).
El segundo extremo (5) de cada tubo de luz (3) se encuentra acoplado a una célula fotovoltaica (6).
En la Figura 1 se muestra una primera forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, según la cual el primer extremo (4) de cada tubo de luz (3) está configurado para disponerse en contacto directo con el fluido que ha de circular por la tubería principal (1).
En la Figura 2 se muestra una segunda forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, en donde la tubería principal (1) comprende un revestimiento interno (10) compuesto por un material de almacenamiento térmico, capaz de acumular calor y emitir radiación infrarroja a los tubos de luz (3) incluso cuando no existe un flujo de fluido caliente circulando por la tubería principal (1), permitiendo una generación de electricidad prolongada.
En esta segunda forma de realización del sistema de recuperación de calor, el primer extremo (4) de cada tubo de luz (3) está preferentemente configurado para disponerse inmerso en el revestimiento interno (10) de la tubería principal (1).
Según una tercera forma de realización del sistema de recuperación de calor, objeto de la presente invención, cada tubo de luz (3) presenta su segundo extremo (5) curvado (preferentemente con una curvatura de, aproximadamente, 90°), de manera que los segundos extremos (5) de dos tubos de luz (3) pueden disponerse (a modo de herradura o imán), respectivamente, en correspondencia con cada una de las dos caras de una célula fotovoltaica (6) bifacial. Esta configuración maximiza la captación de radiación y duplica la densidad de potencia eléctrica generada por la célula fotovoltaica (6).
En la Figura 3 se muestra la característica mencionada en el párrafo anterior (intrínseca a la tercera forma de realización de la invención) combinada con la característica del revestimiento interno (10) de la tubería principal (1) (intrínseca a la segunda forma de realización).
No obstante, estas características intrínsecas de la segunda y tercera formas de realización pueden presentarse de manera independiente en el sistema de recuperación de calor.
El acoplamiento entre cada tubo de luz (3) y la correspondiente célula fotovoltaica (6) puede estar realizado mediante un adhesivo óptico (adhesivo transparente (7), preferentemente con un elevado índice de refracción) o nanoestructura que asegura una continuidad del índice de refracción en la interfaz, minimizando las pérdidas por reflexión. Esta característica permite maximizar la cantidad de radiación transmitida y, por ende, la eficiencia en la conversión de energía térmica en energía eléctrica.
El sistema de recuperación de calor puede también comprender un subsistema de refrigeración (8), configurado para refrigerar las células fotovoltaicas (6).
Claims (7)
1. Sistema de recuperación de calorcaracterizadopor que comprende:
- una tubería principal (1) configurada para conectarse a al menos una tubería de una instalación industrial, donde la tubería principal (1) está configurada para que circule un flujo de fluido caliente procedente de la instalación industrial por el interior de la tubería principal (1), donde la tubería principal (1) comprende una pluralidad de orificios (2);
- una pluralidad de tubos de luz (3), donde cada tubo de luz (3) está dispuesto atravesando un correspondiente orificio (2) de la tubería principal (1), de manera que un primer extremo (4) de cada tubo de luz (3) se encuentra situado en correspondencia con el interior de la tubería principal (1), y un segundo extremo (5) de cada tubo de luz (3) se encuentra situado en correspondencia con el exterior de la tubería principal (1), donde los tubos de luz (3) están configurados para transportar fotones desde el interior de la tubería principal (1) hacia el exterior de la tubería principal (1), y;
- una pluralidad de células fotovoltaicas (6), donde cada célula fotovoltaica (6) se encuentra acoplada al segundo extremo (5) de al menos un tubo de luz (3).
2. Sistema de recuperación de calor según la reivindicación 1,caracterizadopor que la tubería principal (1) comprende un revestimiento interno (10) compuesto por un material de almacenamiento térmico configurado para acumular calor y emitir radiación infrarroja a los tubos de luz (3).
3. Sistema de recuperación de calor según la reivindicación 2,caracterizadopor que el primer extremo (4) de cada tubo de luz (3) está configurado para disponerse inmerso en el revestimiento interno (10) de la tubería principal (1).
4. Sistema de recuperación de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que las células fotovoltaicas (6) son bifaciales, donde cada tubo de luz (3) presenta su segundo extremo (5) curvado, de manera que cada célula fotovoltaica (6) está acoplada, por cada una de sus dos caras, a un correspondiente segundo extremo (5) curvado de un correspondiente tubo de luz (3).
5. Sistema de recuperación de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que el acoplamiento entre cada tubo de luz (3) y la correspondiente célula fotovoltaica (6) está realizado mediante un adhesivo transparente (7).
6. Sistema de recuperación de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que comprende un subsistema de refrigeración (8), configurado para refrigerar las células fotovoltaicas (6).
7. Sistema de recuperación de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que la tubería principal está realizada y/o comprende un aislamiento compuesto por un material refractario (9).
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2025
- 2025-03-19 ES ES202530232A patent/ES3036242B2/es active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| BA2A | Patent application published |
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