MÉTODO DE FABRICACIÓN DE UN TUBO RECEPTOR DE ENERGÍA SOLAR Y TUBO
ASÍ FABRICADO
Sector técnico de la invención
La presente invención tiene por objeto presentar la secuencia de montaje de los diferentes componentes individuales que componen un tubo receptor de energía solar y el tubo así obtenido.
Antecedentes de la invención
El principio general de la tecnología termosolar está basado en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir generalmente vapor, que es utilizado posterior- mente en plantas eléctricas convencionales.
La captación de energía solar, que tiene una densidad relativamente baja, es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares. Existen dos tipos de concentradores solares: concentradores lineales y concentradores puntuales. La concentración lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concen- tración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.
Es por eso que se trata de avanzar en el desarrollo de los tubos receptores usados en la concentración lineal, para tratar de aumentar el factor de concentración que en ellos se logra y disminuir las pérdidas, de manera que el rendimiento global de la planta de concen- tración se vea incrementado.
La invención que nos ocupa explica el procedimiento de montaje de uno de estos tubos receptores, de tecnología mejorada respecto a lo existente en el estado de la técnica, así como el tubo obtenido.
En general, un tubo receptor consta de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera el vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo exterior es de vidrio, habitualmente de borosilicato.
Entre el tubo metálico y el tubo de vidrio se instalarán, en los extremos del tubo, una serie de elementos o dispositivos cada uno con una función determinada. Los más comunes son: dispositivo compensador de expansión o bello , getter evaporable o detector de va- cío, getter no evaporable o afinador de vacío y diferentes elementos de conexión necesarios entre estos dispositivos.
En cuanto a los antecedentes sobre este tipo de procedimientos no merece la pena citar ninguno en concreto puesto que, dependiendo de los componentes del tubo concreto que se vaya a fabricar, el procedimiento de montaje se realizará de una u otra forma. Como ejemplo de tubo, pero que presenta elementos con diferente diseño y situados en distinto
lugar y, no siendo objeto de este documento pormenorizarlos, se puede citar la patente US 20070209658 de SCHOTT.
Descripción de la invención
La invención consiste en desarrollar un procedimiento de montaje eficiente para un tubo receptor de los utilizados en los concentradores solares lineales, ya sea para concentradores cilindro-parabólicos o fresnel.
Las partes principales que comprenden el tubo receptor son:
• Sistema de compensación de expansión o bellows.
• Tapa
• Vaso
• Elemento de transición vidrio-metal o anillo de Kovar.
• Getter no evaporable con lazo y sistema de cierre
• Getter evaporable con clip de sujeción
• Tubos de borosilicato.
• Tubo metálico.
Todos ellos son elementos individuales a excepción del conjunto del dispositivo de compensación de expansión o bellows el cual aglutina, en un proceso de montaje independiente, la fabricación de todo el conjunto mecánico de compensación de expansión, así como la inclusión de los getters evaporables y no evaporable y sus soportes asociados.
Para los getters no evaporables o afinador de vacío, el soporte consiste en un cable en el que se insertan las pastillas de material getter a través de un taladro que tienen hecho en el centro. El cable tiene un cierre con una parte hembra y una parte macho que se unirán en el momento en que todas las pastillas se encuentren insertadas.
Para el getter evaporable o detector de vacío, el soporte consiste en un clip con una terminación circular en la que se introducirá la pastilla de material getter evaporable.
El procedimiento de fabricación del tubo receptor completo engloba, por tanto, las siguientes etapas:
i. Proceso de fabricación de los tubos metálicos (generalmente de acero)
ii. Proceso de fabricación de los tubos de vidrio (hay tres, el central de aproximadamente 3.6 m de longitud y dos para los extremos de aproximadamente 0.2 m de longitud) iii. Proceso de fabricación de los anillos Kovar
iv. Proceso de soldadura de los anillos Kovar a los tubos
2010/000406
3
v. Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows (son dos, uno para cada extremo del tubo). Los pasos a seguir para montar este conjunto se detallarán en la realización preferente.
vi. Ensamblaje de los conjuntos anteriores
vii. Realización del vacío en la zona intermedia, entre el tubo de vidrio y el de metal y aplicar spray de anodizado a las soldaduras.
A continuación y con ayuda de las figuras, se dará una explicación más pormenorizada de todas y cada una de las fases que comprende cada una de las etapas del procedimiento. Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 : Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 1. Producto 1.
Figura 2: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 2. Producto 2.
Figura 3: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 3. Producto 3.
Figura 4: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 4. Producto 4
Figura 5: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 5. Producto 5
Figura 6: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 6. Producto 6
Figura 7: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 7. Producto 7
Figura 8: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 8. Producto 8
Figura 9: Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows. Paso 9. Producto 9
Figura 10: Pinzas de sujeción
Figura 11 : Extremo del tubo completo con oliva para hacer el vacío
Figura 12: Vista en perspectiva del tubo receptor completo.
Listado de referencias
(1) Dispositivo compensador de expansión o bellow
(2) Vaso
(3) Tapa
(4) Puente de fijación
(5) Soporte tipo clip de getter evaporable
(6) Pastilla de getter evaporable
(7) Cierre del cable del getter no evaporable parte hembra; (7') parte macho
(8) Pastillas getter no evaporable
(9) Cable de getter no evaporable
(10) Pinzas de sujeción
(11) Oliva para hacer el vacío
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir el procedimiento de fabricación según una realización preferente.
Como se dijo anteriormente, el procedimiento engloba una serie de etapas principales (i- vii) de las que se van a estudiar sus fases respectivas.
i. Proceso de fabricación de los tubos metálicos
En una realización preferente se trata de tubos de acero que se pulen, limpian y se les aplica un recubrimiento selectivo mediante la técnica de sputtering.
El tubo de acero se calienta para que adquiera una capa de óxido externa sobre la que se irán aplicando las distintas capas.
ii. Proceso de fabricación de los tubos de vidrio
El tubo de vidrio en su conjunto está formado por tres los tubos de borosilicato: el central de 3.6 m de longitud y dos para los extremos de longitud 0.2 m. Uno de los tubos de los extremos contará además con una oliva para la realización del vacío mediante bomba. iii. Proceso de fabricación de los anillos Kovar
Los anillos de Kovar son el elemento de transición para realizar la unión del acero con el vidrio, ya que se trata de una aleación de hierro, cobalto y níquel que tiene un coeficiente de dilatación muy próximo al del vidrio.
iv. Proceso de soldadura de los anillos Kovar a los tubos.
Una vez recepcionados los tres tubos de vidrio estos pueden limpiarse en este momento y se sueldan a la pieza de Kovar de la siguiente manera:
• Soldadura primer tubo de vidrio de longitud 0.2 m a la pieza de Kovar por uno de sus extremos (soldadura vidrio-metal).
· Soldadura segundo tubo de vidrio de longitud 0.2 m a la pieza de Kovar por uno de sus extremos (soldadura vidrio-metal).
A continuación se realiza una soldadura vidrio-vidrio entre los extremos libres de la pieza de Kovar de los tubos de menor longitud y los dos extremos del tubo de 3.6 m de longitud. Una vez terminado el proceso anterior, el tubo se lleva a la estación de solgel (recubri- miento antirreflectante) donde se limpia el tubo mediante lavado con agua o ultrasonidos, se seca y se sumerge en una cuba para la aplicación del antirreflectante. A continuación se mete en un hormo con el fin de consolidar la capa de solgel y liberar las tensiones del vidrio debido a la soldadura. Este tratamiento térmico de liberación de tensiones, podría realizarse también justo después de realizar la soldadura vidrio-metal y antes de llevar el tubo a la estación de solgel.
A continuación se baja la temperatura del tubo y se da un tratamiento hidrófobo para conseguir que la superficie repela el agua.
A continuación se seca el tubo con calor o aire.
v. Proceso de fabricación de los conjuntos de bellows
Se trata de los dispositivos de compensación de expansión (1 ) que tienen forma de fuelle más todos los elementos que se unen a ellos, como son el getter evaporable y los getter no evaporables con sus soportes.
Para el getter evaporable el soporte consiste en un soporte tipo clip (5) con una terminación circular en la que se introducirá la pastilla (6) de material getter evaporable.
Para los getters no evaporables el soporte consiste en un cable (9) en el que se insertan las pastillas (8) de material getter a través de un taladro que tienen hecho en el centro y el cable tiene un cierre con una parte hembra (7) y una parte macho (7') que se unirán en el momento en que todas las pastillas (8) se encuentren en el cable.
Siguiendo las figuras de forma consecutiva desde la figura 1 a la figura 12, los pasos de este proceso son:
- Paso 1 : Soldar bellows (1 ) + vaso (2)→ Producto 1
- Paso 2: Soldar tapa (3) + Producto 1→ Producto 2
- Paso 3: Soldar puente de fijación (4) del getter evaporable en la parte inferior del Producto 2 -→ Producto 3
- Paso 4: Introducir pastilla (6) de getter evaporable en el soporte tipo clip (5)→ Pro¬ ducto 4
- Paso 5: Montar Producto 4 en el producto 3→ Producto 5
- Paso 6: Montaje Cable (9) + parte hembra del cierre (7) del cable del getter no evapo¬ rable→ Producto 6
- Paso 7: Montaje producto 6 + Pastillas getter no evaporable (8)→ Producto 7
- Paso 8: Montaje Producto 7 + parte macho del cierre (7') del cable del getter no evaporable→ Producto 8
- Paso 9: Montaje Producto 5 + Producto 8→ Producto 9
- Paso 10: montaje de las pinzas de sujeción (10) del getter no evaporable→ Producto 10 o conjunto completo
i. Ensamblaje de los conjuntos anteriores, con las siguientes opciones:
1 ) Se sitúa el tubo absorbedor de metal dentro del tubo de vidrio y a continuación se sueldan en ambos extremos el conjunto bellow (producto 10). Para ello se une mediante soldadura el vaso (2) con la pared del tubo absorbedor metálico (unión conjunto bellow o
producto 10 al tubo absorbedor) y la tapa (3) con el anillo Kovar (unión conjunto bellow o producto 10 al tubo de vidrio).
2) Unión del conjunto bellow o producto 10 soldando la tapa (3) al anillo Kovar del tubo de vidrio en ambos extremos del tubo, a continuación introducimos dentro del conjunto el tubo absorbedor metálico por cualquiera de los extremos y soldamos por ambos extremos la parte del vaso (2) del conjunto bellow o producto 10 a la pared del tubo absorbedor metálico.
3) Se suelda en un extremo del tubo de vidrio el conjunto bellow o producto 10 por su tapa (3) al anillo Kovar y a continuación se introduce el tubo absorbedor metálico por el otro extremo, se suelda el tubo absorbedor metálico a la tapa (3) del conjunto bellow o producto 10 del primer extremo y a continuación por el otro extremo del tubo de vidrio se suelda vaso (2) y tubo absorbedor, tapa (3) y anillo Kovar del tubo de vidrio.
4) Se suelda el conjunto bellow o producto 10 por su vaso (2) a un primer extremo del tubo absorbedor metálico, se introduce por el otro extremo el tubo de vidrio y se suelda ta- pa (3) del conjunto bellow o producto 10 al anillo Kovar del primer extremo del vidrio. Se coloca el conjunto bellow o producto 10 en el otro extremo y se suelda vaso (2) y tubo absorbedor, tapa (3) y anillo Kovar.
Nota: En cualquiera de los procesos de ensamblaje descritos anteriormente es conveniente, aunque no indispensable, realizar una precarga del conjunto bellow antes de llevar a cabo la soldadura de dicho conjunto con el tubo metálico. Esta precarga conlleva una serie de ventajas, como es el hecho de que corrige posibles desviaciones de fabricación, permite colocar al dispositivo compensador de expansión en una posición que lo prepara para recibir cargas de tracción-compresión, se puede emplear para pretensar el tubo de vidrio y garantizar una menor flecha en funcionamiento, así como garantiza un mejor comporta- miento en situaciones excepcionales de montaje, transporte, etc.
Para realizar dicha precarga se observa que todos los procesos de ensamblaje descritos cuentan con una etapa de soldadura del conjunto bellow al tubo metálico que se lleva a cabo, bien soldando los dos bellows al tubo metálico de forma simultánea o bien soldando primero un lado y luego el otro. Esta última forma de proceder tiene el inconveniente de que, para meter la precarga en los bellows, se ha de meter toda la precarga correspondiente a los dos bellows primero en uno de ellos (lo que supone que ese bellow soporte una precarga del doble de la nominal) y después proceder al soldado del otro bellow, de manera que hasta que no esté el segundo bellow colocado no se reparte la precarga entre los dos. Así pues, en el caso de que se vaya a introducir precarga en los bellows, sería conveniente utilizar los montajes donde se coordinan las posiciones de los conjuntos be-
llows sobre el tubo metálico de forma independiente entre ellos, para no someter a los be- llows a una carga excesiva.
v¡¡. Realiza el vacío en la zona intermedia, entre el tubo de vidrio y el de metal y aplicar spray de anodizado a las soldaduras. En la figura 1 1 aparece representada una oliva (11) para la realización de ese vacío.
Con esto ya se tiene el producto final, el tubo receptor, preparado para su montaje en una planta de concentración solar.
Este sistema está especialmente pensado para su aplicación en el montaje de tubos receptores de tecnología solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la in- dustria que requieran características similares.