ES2362912A1 - Solar concentrator by reflection. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Concentrador solar por reflexión.Solar concentrator by reflection.
La presente invención se refiere a un concentrador solar por reflexión para aprovechamiento energético de la radiación solar, especialmente diseñado para facilitar su integración arquitectónica tanto en fachadas como en cubiertas de cualquier geometría.The present invention relates to a solar concentrator by reflection for energy use of solar radiation, specially designed to facilitate its architectural integration on both facades and roofs of any geometry
En la actualidad los concentradores solares prácticamente limitan su uso en instalaciones o superficies de grandes dimensiones mediante el empleo de dispositivos de tamaño considerable, como por ejemplo: sistemas de generador de torre central, concentradores cilindro-parabólicos para generación de potencia, concentradores disco-parabólicos con motor Stirling o los grandes seguidores en dos ejes que soportan lentes de Fresnel en combinación con células fotovoltaicas multicapa con o sin concentrador secundario, entre otros.Currently solar concentrators they practically limit their use in installations or surfaces of large dimensions by employing size devices considerable, such as: tower generator systems central, parabolic trough concentrators for power generation, concentrators parabolic disc with Stirling engine or the big ones two-axis trackers that support Fresnel lenses in combination with multilayer photovoltaic cells with or without concentrator secondary, among others.
En efecto, la integración arquitectónica requiere de sistemas de aprovechamiento energético de tamaños reducidos, altamente fiables y compactos, que a su vez se integren de forma natural en el edificio conservando su armonía. En este sentido, los paneles fotovoltaicos planos de carácter estático han sido uno de los sistemas más utilizados en este campo hasta el momento, a pesar de su elevado coste.Indeed, architectural integration requires systems of energy use of sizes reduced, highly reliable and compact, which in turn are integrated naturally in the building retaining its harmony. In this sense, static photovoltaic flat panels have been one of the most used systems in this field until the moment, despite its high cost.
En el ámbito de los concentradores para integración arquitectónica, suelen emplearse concentradores estáticos cuando se tienen ratios de concentración C inferiores a 2.5 soles y concentradores con seguimiento solar de un solo eje hasta ratios de concentración C de 100 soles, límite a partir del cual resulta conveniente el empleo de dos ejes de seguimiento que implican un mayor coste y tamaño. Resulta de especial interés para su aplicación arquitectónica la gama de concentradores con ratios de concentración C entre 2.5 soles y 20 soles debido a su buena relación coste-efectividad y adecuado tamaño de los mismos, aspectos que resultan más favorables cuando éstos se acercan al límite de 20 soles. Dentro del rango de concentraciones mencionado, una de las configuraciones que ofrecen una mayor versatilidad son los sistemas de Fresnel por reflexión, tipología a la que pertenecen un gran número distinto de concentradores. Estos sistemas utilizan espejos para dirigir la radiación solar hacia un receptor o absorbedor que recibe y aprovecha dicha energía.In the field of concentrators for architectural integration, concentrators are often used static when C concentration ratios are lower than 2.5 soles and concentrators with single-axis solar tracking up to concentration ratios C of 100 soles, limit from which is convenient to use two tracking axes that They imply greater cost and size. It is of special interest to its architectural application the range of concentrators with ratios of C concentration between 2.5 soles and 20 soles due to its good cost-effectiveness and adequate size of the same, aspects that are more favorable when they approach to the limit of 20 soles. Within the concentration range mentioned, one of the configurations that offer a greater versatility are Fresnel systems by reflection, typology to which belong a large number of different concentrators. These systems use mirrors to direct solar radiation towards a receiver or absorber that receives and uses this energy.
Un primer grupo dentro de estos sistemas son los denominados CLFR, Compact Linear Fresnel Reflector, donde el receptor se encuentra en posición estática, mientras que el seguimiento lo realizan los espejos. Dicho receptor se encuentra posicionado a una determinada distancia en el lado frontal del concentrador, es decir la radiación incide sobre los espejos, se refleja en los mismos y retrocede hacia el receptor. Este aspecto dificulta notablemente su integración arquitectónica y limita la misma exclusivamente a su empleo en cubiertas. En concreto, la orientación exterior del receptor impide su aplicación en fachadas tanto por los sobreesfuerzos causados sobre la estructura como por cuestiones estéticas, además de que no facilita en modo alguno el montaje de las instalaciones que aprovechan térmica o eléctricamente la energía absorbida, las cuales quedarían suspendidas de la fachada de un modo visible.A first group within these systems are the so-called CLFR, Compact Linear Fresnel Reflector , where the receiver is in a static position, while the mirrors are tracked. Said receiver is positioned at a certain distance on the front side of the concentrator, that is to say the radiation hits the mirrors, is reflected in them and goes back towards the receiver. This aspect significantly hinders its architectural integration and limits it exclusively to its use on roofs. Specifically, the external orientation of the receiver prevents its application on facades both due to overstress caused by the structure and aesthetic issues, in addition to not facilitating in any way the installation of facilities that take advantage of thermally or electrically absorbed energy, which they would be suspended from the facade in a visible way.
Un segundo grupo lo constituyen los denominados SAC, Slat Array Concentrator, un ejemplo de los cuales se puede apreciar en el documento US2002/0075579A1. En dicho documento se puede apreciar un concentrador con unos espejos alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral. Estos espejos se disponen a cierta distancia entre ellos a lo largo de dicha estructura con sus superficies longitudinales enfrentadas. Cada uno de ellos presenta un perfil transversal con inclinación predeterminada de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos se focaliza sobre el receptor. A diferencia del grupo comentado anteriormente, en este caso el receptor no se encuentra en el lado frontal del concentrador sino en su lado posterior, a una determinada distancia, de modo que la radiación incide sobre los espejos, se refleja sobre los mismos y avanza hacia el receptor. En concreto, el receptor es solidario a la estructura lateral que soporta los espejos, la cual se prolonga mediante unos brazos laterales que conectan con un eje general de rotación paralelo a los espejos sobre el cual se encuentra dispuesto el receptor. El seguimiento solar se lleva a cabo rotando dicho eje, lo que provoca el giro de todo el concentrador. Este aspecto constituye una limitación importante para su integración arquitectónica y hace prácticamente inviable su aplicación en fachadas.A second group is the so-called SAC, Slat Array Concentrator, an example of which you can appreciate in document US2002 / 0075579A1. In this document you can see a concentrator with elongated mirrors whose Longitudinal ends are supported by a lateral structure. These mirrors are arranged some distance between them along of said structure with its longitudinal surfaces facing each other. Each of them has a transverse profile with inclination predetermined so that solar radiation reflected by all The mirrors are focused on the receiver. Unlike the group commented above, in this case the receiver is not in the front side of the hub but on its back side, to a certain distance, so that the radiation affects the mirrors, it reflects on them and moves towards the receiver. In specifically, the receiver is integral to the lateral structure that supports the mirrors, which is extended by arms laterals that connect with a general axis of rotation parallel to the mirrors on which the receiver is arranged. He solar tracking is carried out by rotating said axis, which causes the spin of the entire hub. This aspect constitutes a important limitation for its architectural integration and makes practically unfeasible its application on facades.
La presente invención consiste en un concentrador solar por reflexión de tipo Fresnel especialmente diseñado para facilitar su integración arquitectónica tanto en fachadas como en cubiertas, gracias a una compacta configuración del mismo, a una gran flexibilidad de montaje y disposición de sus componentes principales y a un sencillo sistema de seguimiento solar en un solo eje.The present invention consists of a solar concentrator by Fresnel type reflection especially designed to facilitate its architectural integration both in facades as on decks, thanks to a compact configuration of the same, to a great flexibility of assembly and disposition of its main components and a simple solar tracking system on a single axis
Para resolver los problemas expuestos anteriormente, el concentrador solar por reflexión de la presente invención es del tipo de los que transmiten la radiación sobre un receptor de anchura d situado en el lado posterior (respecto la posición del sol) del concentrador. En configuraciones verticales se entiende como lado posterior del concentrador aquél que se encuentra más cercano a la fachada o paramento vertical, mientras que en configuraciones horizontales el lado posterior es aquél que se encuentra por debajo del concentrador.To solve the problems set forth above, the reflection solar concentrator of the present invention is of the type that transmits the radiation on a receiver of width d located on the rear side (with respect to the sun's position) of the concentrator. In vertical configurations, the rear side of the concentrator is understood as the one that is closest to the façade or vertical wall, while in horizontal configurations the rear side is the one that is below the concentrator.
Dicho concentrador comprende una pluralidad de espejos alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral que puede adoptar cualquier tipo de configuración, lineal, curvada o una combinación de ambas, capaz de adaptarse a las exigencias arquitectónicas de cualquier tipo de cubierta o fachada. Los espejos se disponen de forma espaciada con una separación d_{m} entre ellos a lo largo de la estructura lateral y con sus superficies longitudinales enfrentadas. Preferentemente, toda la superficie longitudinal de los espejos es reflectante, es decir, ambas caras del espejo permiten reflejar la radiación. Si bien esta característica es recomendable, no siempre es imprescindible, dado que algunas configuraciones del concentrador de la presente invención pueden funcionar con espejos con una sola cara reflectante. Cada uno de los espejos presenta un perfil transversal de anchura l_{m} con un ángulo de inclinación \beta_{i} predeterminado de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos se focaliza sobre el receptor. Preferentemente se emplean perfiles transversales planos, si bien también pudieran utilizarse otras geometrías como por ejemplo cóncavas, entre otras.Said concentrator comprises a plurality of elongated mirrors whose longitudinal ends are supported by a lateral structure that can adopt any type of configuration, linear, curved or a combination of both, capable of adapting to the architectural requirements of any type of roof or facade. The mirrors are arranged spaced apart d {m} including along the side structure and with their opposing longitudinal surfaces. Preferably, the entire longitudinal surface of the mirrors is reflective, that is, both sides of the mirror allow to reflect the radiation. While this feature is recommended, it is not always essential, since some configurations of the concentrator of the present invention can work with mirrors with a single reflective face. Each of the mirrors has a cross-sectional profile of width lm with a predetermined angle of inclination [beta] so that the solar radiation reflected by all the mirrors is focused on the receiver. Preferably flat transverse profiles are used, although other geometries such as concave, among others, could also be used.
Cada uno de los espejos comprende un eje longitudinal de rotación configurado para variar su ángulo de inclinación \beta_{i}. Todos los ejes longitudinales de rotación son paralelos entre ellos y se encuentran configurados para:Each of the mirrors comprises an axis longitudinal rotation configured to vary its angle of inclination \ beta_ {i}. All longitudinal axes of rotation They are parallel to each other and are configured to:
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar gobernados por un único actuador; yreceive the movement of a means of solar tracking governed by a single actuator; Y
- --
- proporcionar a todos los espejos el mismo desplazamiento angular d\beta_{i} para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor, manteniendo tanto dicho receptor como la estructura lateral en posición estática.provide all mirrors with the same angular displacement d ? i so that they focus the radiation on the receiver, keeping both said receiver and the lateral structure in static position.
Preferentemente el receptor constituye un elemento independiente respecto a la estructura lateral de soporte de los espejos. Ello permite instalar el receptor directamente sobre la fachada o la cubierta, junto a las instalaciones necesarias para el aprovechamiento energético de la radiación solar, en la zona más idónea tanto funcional como estética. No obstante, también se contempla el caso de que el receptor y los espejos compartan la misma estructura, al igual que las instalaciones de aprovechamiento energético, dando lugar a una fachada o cubierta técnica independiente de la fachada o cubierta del edificio.Preferably the receiver constitutes a independent element with respect to the lateral support structure of the mirrors. This allows the receiver to be installed directly on the facade or the roof, together with the necessary facilities to the energy use of solar radiation, in the most Ideal both functional and aesthetic. However, it also contemplates the case that the receiver and the mirrors share the same structure, like the use facilities energy, giving rise to a facade or technical roof independent of the facade or roof of the building.
Preferentemente los medios de seguimiento solar comprenden uno o más elementos mecánicos de transmisión integrados en la estructura lateral, tales como ejes de transmisión, vástagos, barras o bielas, entre otros funcionalmente equivalentes. Estos elementos reciben el movimiento del actuador, preferentemente lineal, y lo transmiten de forma simultánea a cada uno de los ejes longitudinales de rotación. Dichos medios de seguimiento solar pueden recibir las señales de uno o más sensores lumínicos instalados en la fachada o cubierta para llevar el seguimiento solar de forma automática.Preferably the solar tracking means comprise one or more integrated mechanical transmission elements in the lateral structure, such as drive shafts, stems, rods or connecting rods, among others functionally equivalent. These elements receive actuator movement, preferably linear, and transmit it simultaneously to each of the axes Longitudinal rotation. Such means of solar tracking can receive signals from one or more light sensors installed on the facade or deck to carry solar tracking automatically
Atendiendo a las características geométricas de los espejos y separación entre los mismos, la presente invención contempla cuatro configuraciones preferentes, no limitativas de la misma, que se relacionan mediante los siguientes sistemas de configuración.Attending to the geometric characteristics of the mirrors and separation between them, the present invention it contemplates four preferred configurations, not limiting the same, which are related by the following systems of setting.
Sistema base (BS): la anchura l_{m} de los espejos es constante y la separación entre espejos es igual a la mitad de la anchura d del receptor.Base system (BS): the width l m of the mirrors is constant and the separation between mirrors is equal to half of the width d of the receiver.
Sistema con separación de espejos variable (VPS): la anchura l_{m} de los espejos es constante, mientras que la separación d_{m} entre espejos es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor.System with variable mirror separation (VPS): the width l m of the mirrors is constant, while the separation d m between mirrors is variable and predetermined so that, in front of a solar radiation with an angle incidence \_ s equal to 0 °, all light is reflected on the receiver.
Sistema con anchura de espejos variable (VWS): la separación d_{m} entre espejos es constante, mientras que la anchura l_{m} de los espejos es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor.System with variable width of mirrors (VWS): the separation d m between mirrors is constant, while the width l m of the mirrors is variable and predetermined so that, before a solar radiation with an angle incidence \_ s equal to 0 °, all light is reflected on the receiver.
Sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS): tanto la anchura l_{m} de los espejos como la separación d_{m} entre ellos es variable y se predeterminan individualmente para cada espejo para maximizar la transmisión de luz al receptor.System with variable width and mirror separation (VPWS): both the width l m of the mirrors and the separation d m between them are variable and are individually predetermined for each mirror to maximize the transmission of light to the receiver .
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con varias realizaciones de la invención que se presentan como ejemplos no limitativos de la misma.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to various embodiments of the invention presented as non-limiting examples of the same.
La figura 1 es un primer ejemplo de montaje del concentrador de la presente invención integrado de forma vertical en una fachada.Figure 1 is a first example of mounting the concentrator of the present invention vertically integrated into a facade.
La figura 2 es un segundo ejemplo de montaje del concentrador de la presente invención integrado de forma horizontal en una fachada.Figure 2 is a second example of mounting the concentrator of the present invention integrated horizontally on a facade
La figura 3 es una representación esquemática del perfil del concentrador según una configuración lineal del mismo, mostrando los medios de seguimiento solar.Figure 3 is a schematic representation of the concentrator profile according to a linear configuration of the same, showing the means of solar tracking.
La figura 4 es una representación esquemática del perfil del concentrador según una configuración curvada del mismo, sin mostrar los medios de seguimiento solar.Figure 4 is a schematic representation of the concentrator profile according to a curved configuration of the same, without showing the means of solar tracking.
La figura 5 es una representación esquemática de los parámetros utilizados en el modelo matemático.Figure 5 is a schematic representation of the parameters used in the mathematical model.
La figura 6 es una representación esquemática de los efectos de sombreo y bloqueo.Figure 6 is a schematic representation of the effects of shading and blocking.
Las figuras 7A(a) y 7B(a) son representaciones esquemáticas del sistema base (BS).Figures 7A (a) and 7B (a) are schematic representations of the base system (BS).
Las figuras 7A(b) y 7B(b) son representaciones esquemáticas del sistema con separación de espejos variable (VPS).Figures 7A (b) and 7B (b) are schematic representations of the system with mirror separation variable (VPS).
Las figuras 7A(c) y 7B(c) son representaciones esquemáticas del sistema con anchura de espejos variable (VWS).Figures 7A (c) and 7B (c) are schematic representations of the system with mirror width variable (VWS).
Las figuras 7A(d) y 7B(d) son representaciones esquemáticas del sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS).Figures 7A (d) and 7B (d) are schematic representations of the system with width and separation of variable mirrors (VPWS).
La figura 8 es una gráfica de la eficiencia de cada sistema en función del ángulo de incidencia \theta_{s}.Figure 8 is a graph of the efficiency of each system based on the angle of incidence \ theta_ {s}.
La figura 9 es un diagrama de puntos para los espejos del sistema base optimizado (OBS) para un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 40º.Figure 9 is a point diagram for the optimized base system (OBS) mirrors for an angle of incidence \ theta_ {s} equal to 40º.
La figura 10 es una gráfica de la eficiencia del sistema base optimizado (OBS) en función de la posición de los espejos y para diferentes ángulos de incidencia solar.Figure 10 is a graph of the efficiency of the optimized base system (OBS) depending on the position of the mirrors and for different angles of solar incidence.
La figura 11 es una gráfica de la eficiencia de cada uno de los espejos del sistema base optimizado (OBS) en función del ángulo de incidencia solar.Figure 11 is a graph of the efficiency of each of the mirrors of the optimized base system (OBS) depending on of the angle of solar incidence.
La figura 12 muestra los patrones de potencia recibida sobre el receptor para distintos ángulos de incidencia \theta_{s}, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS).Figure 12 shows the power patterns received on the receiver for different angles of incidence \ theta_ {s}, according to the optimized base system (OBS).
La figura 13a muestra una simulación de la potencia recibida por el receptor por unidad de superficie para un ángulo de incidencia solar de 0º, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS).Figure 13a shows a simulation of the power received by the receiver per unit area for a 0º solar incidence angle, according to the base system optimized (OBS).
La figura 13b muestra una simulación de la potencia recibida por el receptor por unidad de superficie para un ángulo de incidencia solar de 45º, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS).Figure 13b shows a simulation of the power received by the receiver per unit area for a 45º solar incidence angle, according to the base system optimized (OBS).
La figura 14 es una gráfica de la concentración media y máxima del sistema base (BS) para diferentes ángulos de incidencia solar.Figure 14 is a graph of the concentration average and maximum base system (BS) for different angles of solar incidence
La figura 1 muestra un primer ejemplo de montaje del concentrador (1) integrado de forma vertical en una fachada. Como se puede apreciar el concentrador (1) comprende una pluralidad de espejos (2) alargados cuyos extremos longitudinales se soportan mediante una estructura lateral (4). Dichos espejos (2) reflejan la radiación solar sobre un receptor (3) situado en el lado posterior del concentrador (1). Asimismo, el receptor (3) de este ejemplo se encuentra instalado directamente sobre la fachada, constituyendo un elemento independiente respecto a la estructura lateral (4). El montaje del concentrador (1) de la presente invención presenta una gran flexibilidad, con la finalidad de adaptarse fácilmente a todo tipo de fachadas. En este sentido, para cubrir una determinada fachada se pueden emplear uno o más concentradores (1), cuantos sean necesarios, con su correspondiente receptor (3). Preferentemente, siempre que sea posible y con la finalidad de aprovechar al máximo las ventajas de la presente invención, todos ellos compartirán la misma estructura lateral (4) y los mismos medios de seguimiento solar (6), de forma que sean gobernados por el mismo actuador (8). No obstante, dado la gran diversidad de formas que pueden adoptar las fachadas, en muchas ocasiones resultará necesario disponer de varios concentradores (1), cada uno de ellos con su correspondiente estructura lateral (4) y con sus correspondientes medios de seguimiento solar (6).Figure 1 shows a first assembly example of the concentrator (1) integrated vertically in a facade. As can be seen, the concentrator (1) comprises a plurality of elongated mirrors (2) whose longitudinal ends are supported by a lateral structure (4). These mirrors (2) reflect the solar radiation on a receiver (3) located on the back side of the concentrator (1). Also, the receiver (3) of this example is It is installed directly on the facade, constituting a independent element with respect to the lateral structure (4). He assembly of the concentrator (1) of the present invention presents a great flexibility, in order to easily adapt to everything type of facades. In this sense, to cover a certain One or more concentrators (1) may be used, however many necessary, with its corresponding receiver (3). Preferably whenever possible and in order to make the most of The advantages of the present invention will all share the same lateral structure (4) and the same tracking means solar (6), so that they are governed by the same actuator (8). However, given the great diversity of forms that can take the facades, on many occasions it will be necessary to have several concentrators (1), each with its corresponding lateral structure (4) and with its corresponding means of solar tracking (6).
La figura 2 muestra un segundo ejemplo de montaje del concentrador (1) integrado de forma horizontal en una fachada. En esta ocasión se puede apreciar que uno o más concentradores (1) se integran en la fachada a modo de parasol con su correspondiente receptor (3) situado debajo del mismo.Figure 2 shows a second example of hub assembly (1) integrated horizontally into a facade. On this occasion it can be seen that one or more concentrators (1) are integrated in the facade as a sunshade with its corresponding receiver (3) located below it.
La figura 3 muestra una representación esquemática del perfil del concentrador (1) según una configuración lineal del mismo, donde se pueden apreciar los medios de seguimiento solar (6) y el perfil transversal (2a) de cada espejo (2). Como se puede apreciar, cada uno de los espejos (2) comprende un eje longitudinal de rotación (5) configurado para variar su ángulo de inclinación \beta_{i}. Todos los ejes longitudinales de rotación (5) son paralelos entre ellos, y particularmente en este ejemplo, también son coplanares, lo que hace todavía más sencillo el sistema de seguimiento solar. Dichos ejes longitudinales de rotación (5) se encuentran configurados para:Figure 3 shows a representation schematic of the concentrator profile (1) according to a configuration linear, where you can see the means of tracking solar (6) and the transverse profile (2a) of each mirror (2). How I know you can see, each of the mirrors (2) comprises an axis longitudinal rotation (5) configured to vary its angle of inclination \ beta_ {i}. All longitudinal axes of rotation (5) are parallel to each other, and particularly in this example, they are also coplanar, which makes the system even easier solar tracking Said longitudinal axes of rotation (5) are They are configured to:
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8); yreceive the movement of a means of solar tracking (6) governed by a single actuator (8); Y
- --
- proporcionar a todos los espejos (2) el mismo desplazamiento angular d\beta_{i} para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor (3), manteniendo tanto dicho receptor (3) como la estructura lateral (4) en posición estática.provide all mirrors (2) with the same angular displacement d ? i so that they focus radiation on the receiver (3), keeping both said receiver (3) and the lateral structure (4) in static position.
Los medios de seguimiento solar (6) comprenden elementos mecánicos de transmisión (7) integrados en la estructura lateral (4) que reciben el movimiento del actuador (8), de tipo lineal, y lo transmiten de forma simultánea a cada uno de los ejes longitudinales de rotación (5).The solar tracking means (6) comprise mechanical transmission elements (7) integrated in the structure lateral (4) receiving the movement of the actuator (8), of type linear, and transmit it simultaneously to each of the axes Longitudinal rotation (5).
La figura 4 muestra una representación esquemática del perfil del concentrador (1) según una configuración curvada del mismo, sin mostrar los medios de seguimiento solar (6).Figure 4 shows a representation schematic of the concentrator profile (1) according to a configuration curved, without showing the solar tracking means (6).
La figura 5 muestra una representación esquemática de los parámetros utilizados en el modelo matemático. En ella se puede apreciar que el concentrador (1) está formado por un número de espejos (2) igual a N, donde el índice i indica el número de espejo. Los espejos (2) se disponen de forma espaciada con una separación d_{m} entre ellos y con sus superficies longitudinales enfrentadas. El perfil transversal (2a) de cada espejo (2) presenta una anchura l_{m} y un ángulo de inclinación \beta_{i} predeterminado de modo que la radiación solar reflejada por todos los espejos (2) se focaliza sobre el receptor (3).Figure 5 shows a schematic representation of the parameters used in the mathematical model. In it it can be seen that the concentrator (1) is formed by a number of mirrors (2) equal to N , where the index i indicates the mirror number. Mirrors (2) are arranged spaced apart d {m} each other and with their opposing longitudinal surfaces. The transverse profile (2a) of each mirror (2) has a width l m and a predetermined angle of inclination β i so that the solar radiation reflected by all the mirrors (2) is focused on the receiver (3).
En los casos estudiados se ha considerado un número de espejos N impar, por lo que existe un espejo central con un índice i = 1 + (N-1)/2. Para las configuraciones analizadas se establece el origen de coordenadas O del sistema sobre el centro de rotación del espejo central. Asimismo se establece que todos los ejes longitudinales de rotación (5) son paralelos al eje Z y coplanares respecto al plano XZ. El dispositivo receptor (3), de anchura d, se sitúa en un plano paralelo al plano XZ a una distancia f del mismo. Definiéndose el parámetro x_{i} como la posición del espejo i-ésimo con respeto al eje de rotación del espejo central, se obtiene que la posición angular del espejo (2) en referencia a su eje longitudinal de rotación (5) es:In the cases studied, an odd number of mirrors N has been considered, so there is a central mirror with an index i = 1 + (N-1) / 2 . For the configurations analyzed, the origin of coordinates O of the system is established on the center of rotation of the central mirror. It is also established that all longitudinal axes of rotation (5) are parallel to the Z axis and coplanar with respect to the XZ plane. The receiving device (3), of width d , is placed in a plane parallel to the plane XZ at a distance f from it. The parameter xi being defined as the position of the ith mirror with respect to the axis of rotation of the central mirror, it is obtained that the angular position of the mirror (2) in reference to its longitudinal axis of rotation (5) is:
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Sea \theta_{s} el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre el concentrador (1), el ángulo de inclinación \beta_{i} que debe adoptar cada espejo (2) para que reflejar la luz sobre el receptor (3) es:Let \ theta_ {s} be the angle of incidence of the solar radiation on the concentrator (1), the angle of inclination \ beta_ {i} that each mirror (2) should adopt to reflect the light on the receiver (3) is:
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Del análisis de la expresión anterior se establece que el ángulo de inclinación \beta_{i} es directamente proporcional al ángulo de incidencia \theta_{s} y que la derivada parcial de dicha expresión respecto a \theta_{s} es igual a 1/2. Ello representa que a partir de una posición inicial establecida, los desplazamientos angulares d\beta_{i} de seguimiento solar son idénticos para todos los espejos (2), lo que permite el empleo de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8).From the analysis of the previous expression, it is established that the angle of inclination \ beta_ {i} is directly proportional to the angle of incidence \ theta_ {s} and that the partial derivative of said expression with respect to \ theta_ {s} is equal to 1 / 2. This represents that from an established initial position, the angular displacements d \ beta_ {i} of solar tracking are identical for all mirrors (2), which allows the use of solar tracking means (6) governed by a single actuator (8).
La figura 6 muestra los dos fenómenos que producen una pérdida de eficiencia en el sistema: el sombreo y el bloqueo. El sombreo se refiere a aquellos rayos que son interceptados por la superficie de un espejo (2) anterior al analizado, mientras que el bloqueo hace referencia a los rayos que son interceptados por una superficie cualquiera después de producirse la reflexión. En ella se puede ver un diagrama que representa la posición de los puntos extremos de los espejos para una configuración determinada. La posición del límite superior del bloqueo (BL) y del límite inferior de sombreo (SL) han sido calculadas para cada espejo (2) mediante un algoritmo geométrico en el que se ha implementado la proyección e intersección de tres líneas en el plano XY; posición del espejo, rayos incidentes extremales y reflejo de los mismos.Figure 6 shows the two phenomena that produce a loss of efficiency in the system: the shading and the blocking. Shading refers to those rays that are intercepted by the surface of a mirror (2) before the analyzed, while blocking refers to the rays that are intercepted by any surface after Reflection occurs. In it you can see a diagram that represents the position of the extreme points of the mirrors to A certain configuration. The upper limit position of the blocking (BL) and lower shading limit (SL) have been calculated for each mirror (2) using a geometric algorithm in which has been implemented the projection and intersection of three lines in the XY plane; mirror position, incident rays extremes and reflection of them.
Este estudio ha permitido determinar también el
tamaño y la posición de la mancha luminosa sobre el receptor (3).
Cada una de las bandas luminosas provenientes de cada espejo (2) ha
sido afectada por una intensidad (intensidad proyectada
I_{p}) dependiente del ángulo de incidencia \theta_{s}
y de los ángulos de inclinación \beta_{i} y posición de cada
espejo (2). Donde I_{d} es la irradiación directa normal y
\rho_{m} es la reflectividad especular del espejo (2). Siendo
dicha
expresión:This study has also allowed to determine the size and position of the light spot on the receiver (3). Each of the light bands coming from each mirror (2) has been affected by an intensity (projected intensity I p) dependent on the angle of incidence the s and the inclination angles \ and i position of each mirror (2). Where I d is the normal direct irradiation and? M is the mirror specular reflectivity (2). Being bliss
expression:
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El perfil de irradiación producido sobre el receptor (3) por cada espejo (2) se ha calculado mediante el producto de convolución de la función anterior e I_{s}:The irradiation profile produced on the receiver (3) for each mirror (2) has been calculated by means of the convolution product of the previous function and I s:
Donde I_{s}(x) es la intensidad efectiva con la que el sol irradia al receptor (3):Where I s ( x ) is the effective intensity with which the sun radiates to the receiver (3):
Y \sigma_{op} es la desviación estándar que representa el conjunto de errores a los cuales se encuentran sujetos los concentradores en situación real; forma solar Gaussiana, imperfecciones especulares, errores de posicionamiento y elevación de los espejos, desplazamientos angulares del receptor y errores de seguimiento solar. La expresión \sigma_{op} es:And \ sigma_ {op} is the standard deviation that represents the set of errors to which they are subject the concentrators in real situation; Gaussian solar form, mirror imperfections, positioning and elevation errors of mirrors, angular displacements of the receiver and errors of solar tracking The expression \ sigma_ {op} is:
La figura 7A(a) muestra una representación esquemática del sistema base (BS). Como se puede apreciar en esta configuración la anchura l_{m} de los espejos (2) es constante y la separación entre espejos (2) es igual a la mitad de la anchura d del receptor (3). En la figura 7B(a) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar.Figure 7A (a) shows a schematic representation of the base system (BS). As can be seen in this configuration, the width l m of the mirrors (2) is constant and the separation between mirrors (2) is equal to half of the width d of the receiver (3). In Figure 7B (a) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as solar tracking is carried out.
La figura 7A(b) muestra una representación esquemática del sistema con separación de espejos variable (VPS). Como se puede apreciar en esta configuración la anchura l_{m} de los espejos (2) es constante, mientras que la separación d_{m} entre espejos (2) es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor (3). Es decir, ningún rayo solar incidente provoca sombra o pasa directamente entre los espejos (2) sin ser reflejado. Ello significa que el límite de sombreo (SL) se encuentra exactamente en el extremo inferior de cada espejo (2). En la figura 7B(b) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar.Figure 7A (b) shows a schematic representation of the system with variable mirror separation (VPS). As can be seen in this configuration, the width l m of the mirrors (2) is constant, while the separation d m between mirrors (2) is variable and predetermined so that, in the case of solar radiation with an angle of incidence the_ s equal to 0 °, all the light is reflected on the receiver (3). That is, no incident sunbeam causes shade or passes directly between the mirrors (2) without being reflected. This means that the shading limit (SL) is exactly at the lower end of each mirror (2). In figure 7B (b) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 7A(c) muestra una representación esquemática del sistema con anchura de espejos variable (VWS). Como se puede apreciar en esta configuración la separación d_{m} entre espejos (2) es constante, mientras que la anchura l_{m} de los espejos (2) es variable y se predetermina de modo que, ante una radiación solar con un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 0º, toda la luz se refleje sobre el receptor (3). Es decir, ningún rayo solar incidente provoca sombra o pasa directamente entre los espejos (2) sin ser reflejado. En este caso, ello significa que el límite de bloqueo (BL) se encuentra exactamente en el extremo superior de cada espejo (2). En la figura 7B(c) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar.Figure 7A (c) shows a schematic representation of the system with variable mirror width (VWS). As can be seen in this configuration, the separation d m between mirrors (2) is constant, while the width l m of the mirrors (2) is variable and predetermined so that, in the event of solar radiation with an angle of incidence the_ s equal to 0 °, all the light is reflected on the receiver (3). That is, no incident sunbeam causes shade or passes directly between the mirrors (2) without being reflected. In this case, this means that the blocking limit (BL) is exactly at the upper end of each mirror (2). In figure 7B (c) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 7A(d) muestra una representación esquemática del sistema con anchura y separación de espejos variable (VPWS). Como se puede apreciar en esta configuración tanto la anchura l_{m} de los espejos (2) como la separación d_{m} entre ellos es variable y se predeterminan individualmente para cada espejo (2) para maximizar la transmisión de luz al receptor (3). En la figura 7B(d) se puede apreciar como varían los espejos (2) de esta configuración a medida que se lleva a cabo el seguimiento solar.Figure 7A (d) shows a schematic representation of the system with variable width and mirror separation (VPWS). As can be seen in this configuration, both the width lm of the mirrors (2) and the separation d_m between them are variable and are predetermined individually for each mirror (2) to maximize the transmission of light to the receiver (3). In figure 7B (d) it can be seen how the mirrors (2) of this configuration vary as the solar tracking is carried out.
La figura 8 muestra una gráfica de la eficiencia de cada sistema en función del ángulo de incidencia \theta_{s}. En concreto los sistemas OBS, OVPS y OVPWS corresponden respectivamente a la optimización de los sistemas BS, VPS y VPWS, mientras que el sistema VWS, por su baja eficiencia, se considera el menos viable de todos y no ha sido optimizado.Figure 8 shows a graph of efficiency of each system based on the angle of incidence \ theta_ {s}. Specifically, the OBS, OVPS and OVPWS systems correspond respectively to the optimization of the BS, VPS and VPWS systems, while the VWS system, due to its low efficiency, is considered the less viable of all and has not been optimized.
Para realizar la optimización de estos sistemas se ha definido una función objetivo que hace referencia a la eficiencia global diaria \eta_{G}, considerándose el cociente entre la energía solar captada Q_{R} por el receptor (3) a lo largo de un día de insolación patrón y la energía que llega al plano de apertura Q_{A} durante el mismo periodo de tiempo. Se considera un día de insolación patrón de 6 horas, alrededor del mediodía solar con una variación angular de incidencia de -45º hasta 45º y despreciando la radiación difusa y la radiación reflejada. Esta eficiencia difiere de la eficiencia instantánea \eta que se define como el cociente entre la potencia P_{R} recibida por el receptor (3) y la potencia P_{A} que llega al plano de apertura en un instante determinado.For optimization of these systems has been defined objective function that relates to the daily overall efficiency \ eta {G}, considering the ratio of solar energy captured Q _ {R} by the receiver (3) along one day insolation pattern and energy reaching the aperture plane Q _ {a} during the same time period. It is considered a day of insolation pattern of 6 hours, around the solar noon with an angular variation of incidence of -45º to 45º and disregarding the diffuse radiation and the reflected radiation. This efficiency differs from the instantaneous efficiency η which is defined as the ratio between the power P R received by the receiver (3) and the power P A that reaches the opening plane at a given time.
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Asimismo, se ha incorporado dos nuevas variables con el fin de clarificar en mayor medida las diferencias entre los diferentes sistemas; la relación de espejo M_{r} y la eficiencia de espejo \eta_{m}:Likewise, two new variables have been incorporated in order to further clarify the differences between the different systems; The mirror ratio M r and the mirror efficiency η m:
Donde L_{m} es la suma total de las anchuras l_{m} de todos los espejos (2) y L_{c} es la anchura de la apertura del concentrador (1). Mientras que l_{e} es la anchura efectiva del espejo (2), que es la distancia entre el punto extremo de bloqueo y de sombreo. Bajo estas consideraciones se obtiene la siguiente tabla:Where L m is the total sum of the widths l m of all mirrors (2) and L c is the width of the opening of the concentrator (1). While l e is the effective width of the mirror (2), which is the distance between the end point of blocking and shading. Under these considerations the following table is obtained:
El sistema base optimizado (OBS) se ha obtenido desplazando el centro de rotación de todos los espejos 14 cm en sentido positivo del eje Y, según la figura 5, mientras que el sistema con separación de espejos variable optimizado (OVPS) se ha obtenido con un desplazamiento positivo del centro de rotación de todos los espejos 24 cm en dicho eje. El sistema con anchura de espejos variable (VPWS) optimizado se obtiene incrementando 4 veces la anchura d del receptor (3).The optimized base system (OBS) has been obtained by moving the center of rotation of all mirrors 14 cm in the positive direction of the Y axis, according to Figure 5, while the system with optimized variable mirror separation (OVPS) has been obtained with a positive displacement of the center of rotation of all mirrors 24 cm on said axis. The optimized variable width (VPWS) system is obtained by increasing the width d of the receiver 4 times (3).
La figura 9 muestra un diagrama de puntos para los espejos del sistema base optimizado (OBS) para un ángulo de incidencia \theta_{s} igual a 40º. El diagrama también muestra los puntos donde impactan el último rayo no sombreado y donde emerge el primer rayo bloqueado. Como se puede apreciar ninguno de los 6 primeros espejos transmite la radiación solar debido a los efectos de sombreo y bloqueo. A partir del espejo número 13 se logra una transmisión plena.Figure 9 shows a point diagram for optimized base system (OBS) mirrors for an angle of incidence \ theta_ {s} equal to 40º. The diagram also shows the points where the last non-shaded ray hits and where it emerges The first ray blocked. As you can see none of the 6 first mirrors transmits solar radiation due to the effects of shading and blocking. From the mirror number 13 a full transmission
La figura 10 muestra una gráfica de la eficiencia \eta_{m} del sistema base optimizado (OBS) en función de la posición de los espejos (2) y para diferentes ángulos de incidencia \theta_{s}.Figure 10 shows a graph of the efficiency η_ {m} of the optimized base system (OBS) based on of the position of the mirrors (2) and for different angles of incidence \ theta_ {s}.
La figura 11 muestra una gráfica de la eficiencia \eta_{m} de cada uno de los espejos (2) del sistema base optimizado (OBS) en función del ángulo de incidencia \theta_{s}. Los espejos (2) se numeran de izquierda a derecha, siendo el espejo número 11 el que ocupa la posición central.Figure 11 shows a graph of the efficiency \ eta_ {m} of each of the mirrors (2) of the system optimized base (OBS) based on the angle of incidence \ theta_ {s}. The mirrors (2) are numbered from left to right, mirror 11 being the one that occupies the central position.
La figura 12 muestra los patrones de potencia recibida sobre el receptor (3) a lo largo de su anchura d para distintos ángulos de incidencia \theta_{s}, en un concentrador (1) de acuerdo al sistema base optimizado (OBS).Figure 12 shows the patterns of power received on the receiver (3) along its width d for different angles of incidence? In a concentrator (1) according to the optimized base system (OBS).
Las figuras 13a y 13b corresponden una simulación informática de la potencia recibida por el receptor (3) por unidad de superficie para un ángulo de incidencia \theta_{s} de 0º y 45º respectivamente, de acuerdo al sistema base optimizado (OBS). En ellas se puede apreciar el flujo de potencia recibido por el receptor (3) a lo largo de su anchura d y de su altura h.Figures 13a and 13b correspond to a computer simulation of the power received by the receiver (3) per surface unit for an incidence angle \ of 0 ° and 45 ° respectively, according to the optimized base system (OBS). In them you can see the power flow received by the receiver (3) along its width d and its height h .
La figura 14 es una gráfica de la concentración media y máxima del sistema base (BS) para diferentes ángulos de incidencia \theta_{s}.Figure 14 is a graph of the concentration average and maximum base system (BS) for different angles of incidence \ theta_ {s}.
Claims (6)
- --
- recibir el movimiento de unos medios de seguimiento solar (6) gobernados por un único actuador (8); yreceive the movement of a means of solar tracking (6) governed by a single actuator (8); Y
- --
- proporcionar a todos los espejos (2) el mismo desplazamiento angular d\beta_{i} para que éstos focalicen la radiación sobre el receptor (3), manteniendo tanto dicho receptor (3) como la estructura lateral (4) en posición estática.provide all mirrors (2) with the same angular displacement d ? i so that they focus radiation on the receiver (3), keeping both said receiver (3) and the lateral structure (4) in static position.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200931090A ES2362912B1 (en) | 2009-12-01 | 2009-12-01 | SOLAR CONCENTRATOR BY REFLECTION. |
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| ES (1) | ES2362912B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017149382A1 (en) * | 2016-03-04 | 2017-09-08 | Hochschule Luzern | Lattice structure for photovoltaic module |
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| US4220137A (en) * | 1978-09-18 | 1980-09-02 | Tesch Allen R | Solar energy collecting system |
| US20020139414A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-10-03 | Vasylyev Sergiy Victorovich | Non-imaging system for radiant energy flux transformation |
| US20070035864A1 (en) * | 2001-12-17 | 2007-02-15 | Vasylyev Sergiy V | Multistage system for radiant energy flux transformation |
-
2009
- 2009-12-01 ES ES200931090A patent/ES2362912B1/en active Active
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