ES2281844T3 - Colector solar. - Google Patents
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Abstract
Colector solar con un tubo absorbedor (13), con un concentrador que enfoca radiación solar sobre el tubo absorbedor y con al menos dos tubos de envoltura (15) que dejan pasar la radiación y que rodean al tubo absorbedor (13), estando previstas en las zonas de unión (50) entre los tubos de envoltura unas piezas de compensación (17) destinadas a compensar la longitud, caracterizado porque en las zonas de unión (50) está dispuesto al menos un collar de espejo (20) que rodea al tubo de envoltura (15) y que presenta al menos una superficie plana (30).
Description
Colector solar.
La invención concierne a un colector solar con
un tubo absorbedor, con un concentrador que enfoca una radiación
solar sobre el tubo absorbedor y con al menos dos tubos de envoltura
permeables a la radiación que rodean al tubo absorbedor, estando
previstas unas piezas de compensación de la longitud en zonas de
unión entre los tubos de envoltura.
Por concentradores se entienden dispositivos que
enfocan la radiación solar sobre el tubo absorbedor. Puede tratarse
aquí, por ejemplo, de dispositivos ópticos. Se prefieren espejos
parabólicos que estén configurados como canales. La radiación
reflejada en tales canales parabólicos es concentrada en una línea
focal en la que están dispuestos el tubo absorbedor y el tubo de
envoltura. Tales canales parabólicos pueden estar constituidos
también por varios segmentos de canal con radios de curvatura
propios y con líneas focales propias.
Los colectores solares comerciales de canal
parabólico de alta temperatura presentan fuertes pérdidas ópticas
en las zonas de unión de los tubos de envoltura hechos de vidrio. En
las zonas de unión en las que los apoyos atacan en los tubos
absorbedores están interrumpidos los tubos de envoltura, de modo que
estas zonas de la longitud no están disponibles para la absorción
de energía. Los colectores de canal parabólico que siguen
axialmente al sol concentran la energía solar irradiada sobre una
línea focal. En ésta discurre una ristra de tubos absorbedores que
es recorrida por un medio de transmisión de calor, en general
termoaceite o agua. Una gran parte de la radiación solar
concentrada es transformada en energía calorífica por la ristra de
tubos absorbedores y entregada al medio de transmisión de calor.
Para evitar pérdidas por convección térmica en la zona de alta
temperatura, el tubo absorbedor caliente selectivamente revestido
está rodeado por un tubo de envoltura hecho de vidrio, y el espacio
intermedio entre el tubo de envoltura y el tubo absorbedor está
sometido a vacío. Por motivos de estática y de resistencia, la
ristra de tubos absorbedores está constituida por un gran número de
tramos de tubo que se disponen uno tras otro y se sueldan uno con
otro. En las zonas de unión atacan unos apoyos metálicos para
mantener el tubo absorbedor en la línea focal del colector de canal
parabólico. En la zona irradiada se dilata el tubo absorbedor
caliente en mayor medida que el tubo de envoltura más frío. Por
este motivo, en los tubos absorbedores comerciales que son
conocidos, por ejemplo, por el documento WO 03/042609 A se han
previsto piezas de compensación entre los tubos de envoltura. Estas
piezas de compensación están constituidas en general por fuelles
metálicos que puentean la distancia entre los tubos de envoltura y
compensan dilataciones de longitud diferentes. Las piezas de
compensación son apantalladas respecto de la radiación solar
concentrada por medio de elementos de protección contra la
radiación, como, por ejemplo, por medio de chapas de aluminio, para
proteger sobre todo las uniones de soldadura
vidrio-metal contra gradientes de temperatura
demasiado altos.
Los colectores solares comerciales de canal
parabólico de alta temperatura presentan fuertes pérdidas ópticas
en las zonas de unión de los tubos absorbedores. A causa de la
necesidad de transiciones vidrio-metal flexibles y
de la demanda de espacio de los apoyos, las zonas de unión no pueden
construirse como superficie activa de los tubos absorbedores, y la
radiación solar concentrada que llega no puede ser recogida por el
sistema. Debido a esta zona inactiva se pierde aproximadamente 5 a
6% de la radiación reflejada por los espejos parabólicos. Un
aprovechamiento de la radiación irradiada en la zona inactiva parece
ser muy complicada a causa del ángulo de incidencia continuamente
variable.
La invención se basa en el problema de crear un
colector solar con aprovechamiento mejorado de la energía de
radiación incidente.
El colector solar según la invención presenta
las características de la reivindicación 1. Según ésta, en las
zonas de unión está dispuesto al menos un collar de espejo que rodea
al tubo de envoltura y que presenta al menos una superficie
plana.
El collar de espejo forma un reflector
secundario que refleja la radiación solar concentrada desde la zona
de unión hacia la zona de superficie activa del tubo absorbedor. El
collar de espejo que se extiende total o parcialmente en sentido
periférico tiene la capacidad de hacer que radiación solar
concentrada que viene de los espejos parabólicos desde direcciones
diferentes sea reflejada hacia la superficie activa del tubo
absorbedor incluso bajo ángulos de incidencia del sol diferentes.
Mediante el collar de espejo se puede puentear ciertamente una
parte de la longitud del tubo absorbedor, pero la radiación solar
que incide sobre esta parte es conducida por reflexión secundaria
hacia la zona absorbente de la longitud del tubo absorbedor.
Las superficies planas tienen frente a una
superficie cónica la ventaja adicional de que no se refleja la
radiación en forma divergente, sino que la reflexión corresponde a
una escritura de eje óptico. En este caso, se conserva el foco
dentro de la línea focal, con lo que se puede conseguir un aumento
adicional de la potencia.
La superficie plana está orientada de
preferencia en dirección perpendicular al eje del tubo de
envoltura.
Preferiblemente, la superficie plana es una
superficie anular. La superficie anular puede extenderse por todo
el perímetro del tubo de envoltura o bien solamente sobre un tramo
como una superficie de anillo parcial.
Una forma de realización preferida prevé varias
superficies planas que están dispuestas sobre un cono. Se obtienen
de esta manera superficies de facetas planas cuyas envolventes
forman un cono. Esta disposición es ventajosa especialmente cuando
el concentrador es un canal parabólico que consta de varios
segmentos parabólicos que presentan respectivos radios de curvatura
propios. Preferiblemente, al menos una respectiva superficie plana
está asociada a un respectivo segmento parabólico. Esto significa
que la superficie plana está dispuesta sobre la superficie cónica
de tal manera que la línea focal perteneciente al segmento
parabólico se encuentra sobre la superficie plana
correspondiente.
Preferiblemente, dos respectivas superficies
planas están asociadas a un segmento parabólico. En este caso, la
primera superficie del par de superficies está dispuesta sobre la
mitad del cono alejada del canal parabólico y la segunda superficie
está dispuesta sobre la mitad del cono vuelta hacia el canal
parabólico.
Dado que preferiblemente están previstos dos a
cuatro segmentos parabólicos, el collar de espejo presenta
preferiblemente de manera correspondiente cuatro a ocho superficies
planas.
La relación h a L está preferiblemente entre 0,3
y 1, designando h la altura del collar de espejo en dirección
perpendicular al eje del tubo de envoltura y L la longitud de la
zona de unión. La relación ha de elegirse preferiblemente de modo
que la longitud de sombreado V durante todo el año sea más pequeña
que la longitud L de la zona de unión. Esto depende a su vez del
lugar en el que esté instalado el colector solar y, por tanto, del
ángulo de irradiación del sol.
El collar de espejo está constituido
preferiblemente por aluminio.
En lo que sigue se explican con más detalle
ejemplos de realización de la invención haciendo referencia a los
dibujos. La descripción de ejemplos de realización especiales no
limita el campo de protección de la invención.
Muestran:
La figura 1, una representación en perspectiva
de un colector de canal parabólico,
La figura 2, una representación del detalle II
de la figura 1 para ilustrar la construcción de la zona de unión
con un collar de espejo periférico,
La figura 3, una representación en perspectiva
de una disposición de tubos absorbedores con tubo de envoltura y
collar de espejo con superficie plana,
La figura 4a, una representación en perspectiva
de un colector de canal parabólico con varios segmentos
parabólicos,
La figura 4b, una vista lateral esquemática de
la disposición mostrada en las figuras 9 y 10a,
La figura 5, un collar de espejo con varias
superficies planas,
La figura 6, la vista lateral de la disposición
mostrada en la figura 11,
La figura 7, una representación esquemática de
la disposición mostrada en las figuras 11 y 12, y
Las figuras 8-16, diagramas para
ilustrar la ganancia solar.
En la figura 1 está representado un colector de
canal parabólico 10 que presenta un reflector parabólico alargado
11 de perfil en forma de parábola. El reflector parabólico 11 está
provisto de una estructura portante 12 constituida por un entramado
de celosía. A lo largo de la línea focal del reflector parabólico 11
se extiende un tubo absorbedor 13 que está fijado a unos apoyos 14
que están unidos con el reflector parabólico. El reflector
parabólico forma con los apoyos 14 y el tubo absorbedor 13 una
unidad que se hace bascular alrededor del eje del tubo absorbedor y
que se reajusta así sobre un solo eje con arreglo a la altura del
sol S. La radiación solar paralela incidente desde el sol S es
enfocada por el reflector parabólico 11 sobre el tubo absorbedor
13. El tubo absorbedor es recorrido por un medio de transmisión de
calor, por ejemplo agua o aceite, y es calentado por la radiación
solar absorbida. En el extremo de salida del tubo absorbedor puede
extraerse el medio de transmisión de calor y éste puede ser
alimentado a un intercambiador de calor o a otro consumidor de
energía.
La figura 2 muestra el tubo absorbedor 13, el
cual está constituido por varios tramos de tubo y rodeado por tubos
de envoltura 15 de vidrio. Los tubos de envoltura 15 sirven para
aminorar las pérdidas por convección térmica y las pérdidas por
radiación de calor en la zona de alta temperatura. El espacio
intermedio entre el tubo absorbedor 13 y el tubo de envoltura 15
está sometido a vacío. Por motivos de estática y de resistencia, la
ristra del tubo absorbedor está constituida por un gran número de
tubos absorbedores que están unidos uno con otro. En los sitios de
unión 16 atacan los respectivos apoyos 14. Por tanto, los sitios de
unión 16 no están cubiertos por el tubo de envoltura 15. En la zona
irradiada se dilata el tubo absorbedor caliente 13 en mayor medida
que el tubo de envoltura más frío 15. Por este motivo, se han
soldado en los extremos del tubo absorbedor unas piezas de
compensación 17 en forma de un fuelle metálico. Las piezas de
compensación 17 garantizan una transición
metal-vidrio flexible para compensar así las
diferentes dilataciones en longitud.
Según la invención, en la zona de unión entre
dos tubos de envoltura contiguos 15 está dispuesto un collar de
espejo 20 que rodea al tubo absorbedor o al tubo de envoltura 15 y
que en este ejemplo de realización tiene una forma de tronco de
cono que se extiende a lo largo de 360º. El collar de espejo 20 es
de construcción especular por fuera. Presenta un extremo de cono
ancho 20a de diámetro grande y enfrente del mismo un extremo de
cono estrecho 20b de menor diámetro. El diámetro del extremo de cono
20b es igual que el diámetro exterior del tubo de envoltura 15. El
collar de espejo 20 se une al extremo del tubo de envoltura 15 y
cubre la zona de unión 50 con el tubo de envoltura contiguo 15
sobre al menos una parte de la longitud del tubo. En el presente
ejemplo de realización está contenida una pieza de compensación 17
en la cavidad abrazada por el collar de espejo. Un segundo collar
de espejo (no representado) puede encontrarse al otro lado del sitio
de unión 16 y cubrir el otro fuelle 17. Los dos collares de espejo
están entonces vueltos uno hacia otra con sus extremos grandes 20a.
Entremedias se encuentra el apoyo 14.
Los collares de espejo 20 tienen el efecto de
que la radiación solar incidente SR es reflejada en la superficie
de espejo cónica y proyectada hacia el tubo absorbedor 13 adyacente.
Se aprecia que la radiación solar SR que llega a la zona de unión
entre los tubos es desviada por el collar de espejo 20 hacia la zona
expuesta del tubo absorbedor 13 y, atravesando el tubo de envoltura
15, llega al tubo absorbedor. De esta manera, se mejora el
rendimiento energético del colector de canal parabólico 10.
En la figura 3 se muestra esquemáticamente en
una representación en perspectiva una disposición con tubos
absorbedores y tubos de envoltura 15, estando cubierta la zona de
unión 50 - en la que están dispuestos los elementos de compensación
- por un elemento aislado de protección contra radiación. Esta zona
de unión o el elemento aislado 50 de protección contra radiación
posee la longitud L. En el extremo izquierdo de la zona de unión
50, que corresponde al extremo meridional de la zona de unión 50 en
el caso de una instalación sobre el hemisferio Norte, está
dispuesto un collar de espejo 20 que presenta una superficie plana
30 en forma de un anillo 31 aplicado perpendicularmente al eje del
tubo. Con h se designa la altura del anillo 31.
En la figura 4a está representada una forma de
realización con un reflector parabólico 11 que presenta cuatro
segmentos parabólicos 11a-11d. Las líneas focales
pertenecientes a los segmentos parabólicos no están representadas
en la figura 4a, pero están situadas en la zona del tubo absorbedor
o del tubo de envoltura 15. La radiación solar incidente SR incide
bajo el ángulo \alpha, el cual se ha dibujado también en la figura
4b.
En la figura 4b puede verse esquemáticamente en
alzado lateral, para ilustrar la relación matemática V = h x
tg(\alpha), la disposición representada en las figuras 3 y
4a. \alpha designa el ángulo de incidencia de la radiación solar,
L la longitud de la zona de unión y V la longitud de sombreado. En
la disposición mostrada en la figura 4b se tiene que V es menor que
la longitud L, de modo que, bajo el ángulo de incidencia \alpha
representado, no se deja en sombra el tubo de envoltura 15 a la
derecha de la zona de unión 50.
En la figura 5 se representa otra forma de
realización del collar de espejo 20 que presenta un total de seis
superficies planas 30 que están dispuestas inclinadas con respecto
al eje del tubo de envoltura 15. Las superficies planas 30 forman
superficies de facetas sobre una superficie cónica.
En la figura 6 se representa una vez más esta
disposición en alzado lateral, estando dibujada, además, la
radiación solar incidente SR.
En la figura 7 se representa una vez más esta
disposición en alzado lateral para ilustrar las relaciones
matemáticas. La longitud de sombreado V resulta ser V = c + d = h
(sen \beta + cos \beta * tg \alpha), designando \beta la
inclinación del collar de espejo 20 o la inclinación de las
superficies planas 30 del collar de espejo 20.
Instalando un collar de espejo de esta clase
provisto de superficies planas en la zona de unión 50 entre dos
tubos contiguos se incrementa el rendimiento óptico, ya que la
radiación, que en caso contrario incidiría en la zona de unión y
sería reflejada hacia el espejo parabólico, es conducida
adicionalmente también al tubo de envoltura o al tubo
absorbedor.
En el caso de una instalación en el hemisferio
Norte, el collar de espejo 20 se monta en el lado Sur de la zona de
transición. El collar de espejo puede disponerse bajo el ángulo
\beta de 90º como un disco anular 31 hasta un ángulo \beta de
45º como un collar de espejo 20 con superficies planas 30.
En el caso de un ángulo \beta de 90º, las
ganancias son máximas en invierno y estas ganancias se incrementan
en verano para ángulos más pequeños, mientras que se reducen las
ganancias en invierno. La magnitud de las ganancias y pérdidas
depende de la situación geográfica, de la orientación del colector
solar y de la distancia de la altura de los colectores solares
contiguos, lo que se denomina sombreado horizontal.
El ejemplo del caso siguiente se ha calculado
para el lugar de ubicación Málaga, orientación
Norte-Sur del colector solar y un sombreado
horizontal de 15º.
En la figura 8 se representa la proyección de
sombra (sombreado horizontal) en función de la hora local para el
21 de Marzo/Septiembre. El valor T en el eje y de la derecha designa
el sombreado total a través del colector solar o los colectores
solares contiguos.
Sin tener en cuenta el sombreado horizontal, se
obtiene la curva que se denomina "ganancia solar sin proyección
de sombra". Si se tiene en cuenta la proyección de sombra
(sombreado horizontal), se obtiene la curva de trazo continuo, que
representa la ganancia solar efectiva. En este caso, se ha elegido
una relación de h a L de 0,5. La ganancia solar está referida a la
energía absorbida de una disposición sin collar de espejo.
Las figuras 9 y 10 muestran las curvas
correspondientes para el 21 de Junio y para el 21 de Diciembre.
Las figuras 11 a 13 muestran diagramas
correspondientes para la relación h/L de 0,55.
La relación h/L = 0,55 tiene la consecuencia de
que la longitud de sombreado V es más pequeña durante todo el año
que la longitud L de la zona de unión, tal como se representa en la
figura 4b. Por tanto, se originan solamente ganancias y pérdidas
solares en el lado Sur de la zona de unión. No se originan pérdidas
por sombreado del tubo absorbedor en el lado Norte. Se originan
pérdidas en verano en las horas matutinas y vespertinas. En este
tiempo el colector solar está parcialmente sombreado por el
sombreado horizontal, con lo que se aminoran las pérdidas referidas
a la potencia.
El 21 de Junio, las ganancias y pérdidas son
aproximadamente iguales. Para todos los demás días se incrementan
las ganancias y se reducen las pérdidas. En el semestre del invierno
existen ganancias solamente en el lado Sur. Cuando la relación h a
L es mayor que 0,55, aumentan entonces las ganancias en el semestre
del verano. Al mismo tiempo, se originan pérdidas en el semestre
del invierno debido al sombreado del tubo absorbedor en el lado
Norte.
El collar de espejo puede montarse también con
un ángulo \beta < 90º con respecto al eje del tubo de
envoltura. Se incrementan así las ganancias en el semestre del
verano y se reducen las pérdidas en las horas matutinas y
vespertinas. Debido a las distintas superficies planas 30 se impide
un ensanchamiento óptico de la línea focal.
En las figuras 14 a 16 se representan las curvas
de ganancia solar efectivas para relaciones diferentes h/L de tres
valores, a saber, h/L = 0,55, h/L = 0,8 y h/L = 1. En la figura 16
se representan, además, las ganancias en el lado Sur para 0,8 y
para h/L = 1.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
10 \+ Colector de canal parabólico \hskip1.4cm \cr 11 \+
Reflector parabólico\cr 11a - d \+ Segmentos
parabólicos\cr 12 \+ Estructura portante\cr 13 \+ Tubo
absorbedor\cr 14 \+ Apoyo\cr 15 \+ Tubo de envoltura\cr 16 \+
Sitio de unión\cr 17 \+ Piezas de compensación\cr 20 \+ Collar de
espejo\cr 30 \+ Superficie\cr 31 \+ Superficie anular\cr 50 \+
Zona de unión\cr S \+ Sol\cr SR \+ Radiación del
sol\cr}
Claims (8)
1. Colector solar con un tubo absorbedor (13),
con un concentrador que enfoca radiación solar sobre el tubo
absorbedor y con al menos dos tubos de envoltura (15) que dejan
pasar la radiación y que rodean al tubo absorbedor (13), estando
previstas en las zonas de unión (50) entre los tubos de envoltura
unas piezas de compensación (17) destinadas a compensar la
longitud, caracterizado porque en las zonas de unión (50)
está dispuesto al menos un collar de espejo (20) que rodea al tubo
de envoltura (15) y que presenta al menos una superficie plana
(30).
2. Colector solar según la reivindicación 1,
caracterizado porque la superficie plana (30) está orientada
en dirección perpendicular al eje del tubo de envoltura (15).
3. Colector solar según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la superficie plana (30) es una
superficie anular (31).
4. Colector solar según la reivindicación 1,
caracterizado porque el collar de espejo (20) presenta varias
superficies planas (30) que están dispuestas sobre un cono.
5. Colector solar según la reivindicación 4,
caracterizado porque el collar de espejo presenta cuatro a
ocho superficies planas (30).
6. Colector solar según la reivindicación 5 con
un reflector parabólico (11) constituido por al menos dos segmentos
parabólicos (11a-d), caracterizado porque al
menos una respectiva superficie plana (30) está asociada a un
respectivo segmento parabólico (11a-d).
7. Colector solar según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la relación h/L
está entre 0,3 y 1, designando h la altura del collar de espejo
(20) perpendicularmente al eje del tubo de envoltura (15) y
designando L la longitud de la zona de unión (50).
8. Colector solar según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el collar de
espejo (20) es de aluminio.
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