ES2545695A1 - Receptor solar abovedado y planta solar que comprende dicho receptor - Google Patents

Receptor solar abovedado y planta solar que comprende dicho receptor Download PDF

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Abstract

Receptor solar que comprende un conjunto de unidades de receptores solares (1) donde las unidades de receptores solares (1) están localizadas de modo adyacente a través de las aristas de la base (5) poligonal del concentrador secundario (4) de modo la superficie formada por la unión de dichas bases (5) es una superficie abovedada.

Description

P201430185
11-02-2014
DESCRIPCIÓN
Receptor solar abovedado y planta solar que comprende dicho receptor.
5 Campo de la invención
La invención se encuadra dentro de la tecnología de receptores solares y en concreto en los receptores solares que cuentan con concentradores secundarios. Es también objeto de la invención la planta solar en la que se integran dichos receptores.
Antecedentes de la invención
10 Son conocidas en el estado de la técnica las unidades de receptores solares, presurizados
o no, los cuales pueden ser tubulares o volumétricos. Este tipo de unidades pueden comprender los siguientes elementos:
-una cavidad por la que fluye un fluido que puede ser presurizado y en el que se realiza el intercambio térmico,
15 -opcionalmente pueden también poseer una ventana transparente que sella la cavidad y que permite la entrada de la radiación solar al mismo a la vez que minimiza las pérdidas convectivas, y
-un concentrador secundario de geometría tronco-piramidal con base anterior poligonal en conexión con la cavidad y que concentra la radiación solar hacia 20 dicha ventana transparente o hacia la cavidad si ésta no existe.
En los receptores solares que trabajan a alta presión se generan elevados esfuerzos mecánicos tanto en el tanque como en la ventana transparente, limitándose con ello el tamaño máximo de la ventana y por tanto el del receptor, quedando así limitada la potencia
25 térmica a generar por un único dispositivo.
Para resolver esta desventaja se recurre al uso de receptores volumétricos que están compuestos por varias unidades de receptores volumétricos presurizados con concentradores secundarios. Las configuraciones conocidas en el estado de la técnica presentan conjuntos de estos receptores agrupados sobre superficies planas.
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Sin embargo, esta configuración tiene el inconveniente de que limita el ángulo de aceptancia del conjunto formado por los receptores. El campo de helióstatos tiene por lo tanto que extenderse a lo largo, por lo que aumenta el número de helióstatos situados a gran distancia de la torre. Esto supone también una disminución de la eficiencia óptica del campo, dado que las pérdidas de transmisividad atmosférica afectan al mayor número de helióstatos situados lejos de la torre.
Descripción de la invención
La presente invención resuelve las desventajas anteriores mediante un receptor solar con una disposición de unidades de receptores volumétricos o tubulares que permite aumentar el ángulo de aceptancia del conjunto.
Según lo anteriormente comentado, las unidades de receptores comprenden:
-una cavidad adaptada para la circulación de un fluido presurizado y para la realización del intercambio térmico con dicho fluido,
-un concentrador secundario en conexión con la cavidad de geometría tronco
piramidal con base anterior poligonal y que está adaptado para la concentración
de una radiación solar hacia la entrada de la cavidad.
En el caso específico de un receptor tubular, la cavidad comprende un conjunto de tubos ubicados en dicha cavidad. Asimismo, tanto para receptores volumétricos como para receptores tubulares el fluido está presurizado. Adicionalmente, los receptores pueden comprender una ventana transparente que sella la cavidad.
La invención se caracteriza porque las unidades de receptores solares están localizadas de modo adyacente a través de las aristas de la base poligonal del concentrador secundario de modo qque la superficie formada por la unión de dichas bases es una superficie abovedada. De este modo las unidades de receptores solares presurizados constituyen un único bloque de intercambio térmico a modo de colmena y con forma de bóveda.
Por lo tanto, el receptor objeto de la invención presenta una configuración tridimensional en forma de bóveda, no necesariamente regular. Dicha configuración posee la ventaja de que aumenta el ángulo de aceptancia del receptor y, debido a este aumento del ángulo de aceptancia, además reduce las pérdidas de transmisividad atmosférica del campo de heliostatos ya que al aumentar el ángulo de aceptancia se reduce el número de heliostatos que se encuentran más alejados de la torre. Esto se debe a que se pueden instalar un
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mayor número de ellos en las zonas próximas a la torre, obteniéndose campos más cortos para la obtención de una misma potencia térmica.
En función del tamaño de las aristas de los polígonos de la base del concentrador secundario se puede tener una bóveda con mayor o menor radio así como modificar el número de receptores para un radio de bóveda dado.
La superficie abovedada facilita el enfoque del campo de heliostatos haciendo que el mapa de densidad de flujo de radiación sea de menor tamaño. Se denomina mapa de densidad de flujo de radiación a la “mancha solar” resultante de la radiación solar reflejada por todos los heliostatos del campo solar y que llega al receptor. Dicho mapa de densidad de flujo de radiación es resultado de la convolución de la radiación reflejada por cada heliostato del campo. Cuanto menor es el tamaño de dicha “mancha solar” mayor es el grado de concentración de la radiación sobre el receptor, de manera que la mayor parte de ésta queda dentro del receptor. De esta manera no solamente se consigue disminuir las pérdidas por trasmisividad atmosférica sino también reducir el desbordamiento del receptor, al ser menor el mapa de densidad de flujo de radiación sobre el receptor.
El receptor solar objeto de la invención posee un ángulo de aceptación mayor que el de las unidades de receptores que lo integran y también mayor que una configuración de receptores plana, ya que siendo colocados sobre una superficie plana necesitaríamos un campo de heliostatos largo y estrecho, sin embargo, con la configuración abovedada se consigue poder operar con un campo de heliostatos más ancho y compacto, reduciendo las pérdidas ópticas globales del campo de heliostatos y aspirando a un mejor enfoque.
Es también objeto de la presente invención la planta solar que comprende el receptor solar anteriormente descrito y que para ello también comprende:
-
una torre que comprende dicho receptor solar, y
-
un campo de heliostatos orientados hacia dicha torre.
Los fluidos de trabajo de la planta solar pueden ser de cualquier tipo de fluido de intercambio térmico y los ciclos termodinámicos podrán ser tanto los propios de una turbina de vapor, como de una turbina de gas o de una turbina que trabaje en ciclos supercríticos en configuraciones 100% solares o híbridas. Esta planta solar podría tener también varios campos de heliostatos enfrentados a varios receptores solares.
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Otras ventajas adicionales del receptor solar objeto de la invención son las siguientes:
 Mayor eficiencia óptica del campo solar gracias al aumento de ángulo de apertura de éste, aumentando así el número de heliostatos más cercanos a la torre.
5  Reducción de las pérdidas globales por trasmisividad atmosférica al tener un menor número de heliostatos alejados.
 Reducción de las pérdidas por efecto coseno.
 Mayor facilidad de interconexión y posterior mantenimiento al haber mayor separación en la parte trasera de los receptores debido a su configuración 10 abovedada.
 Reducción de la altura de la torre al contar con heliostatos más cercanos con la consecuente reducción en los costes de construcción.
 Reducción de costes de tubería para el concepto de turbina de gas a pie de torre dada la menor altura de la torre.
15  Menor ensuciamiento de los concentradores secundarios al estar más protegidos con esta disposición de una exposición al viento, suciedad, etc.
Descripción de las figuras
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral 20 de la descripción e ilustran ejemplos de realización de la invención.
La figura 1A muestra una representación esquemática de una unidad de receptor volumétrico según el estado de la técnica.
La figura 1B muestra una representación esquemática de una unidad de receptor de tubos según el estado de la técnica.
25 La figura 2 muestra un receptor solar volumétrico con concentrador secundario compuesto por unidades de receptores volumétricos con concentradores secundarios en una distribución plana según el estado de la técnica.
La figura 3 muestra una representación esquemática de un campo de heliostatos para un receptor solar con concentrador secundario con una distribución plana de las unidades de
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receptores con concentradores secundarios y un campo de heliostatos para una distribución abovedada de los mismos.
La figura 4 muestra una representación esquemática de la superficie abovedada del receptor solar de la invención junto con un campo heliostatos.
La figura 5 muestra un ejemplo de realización de una torre solar.
La figura 6 muestra un ejemplo de realización de una estructura soporte del receptor solar de la invención.
La figura 7 muestra un ejemplo de realización de los medios de unión de cada unidad de receptor con concentrador secundario a la estructura soporte representada en la figura 6.
Descripción detallada de la invención
En las figuras 1A y 1B se incluye una representación esquemática del estado de la técnica de un receptor volumétrico en la figura 1A y de un receptor de tubos en la figura 1B. Ambos receptores solares (1) compenden una cavidad (2), una ventana transparente (3) localizada en la entrada de radiación solar de la cavidad (2) y un concentrador secundario (4).
En la figura 2 se representa una configuración de receptor solar volumétrico conocida en el estado de la técnica que está formado por tres unidades de receptores volumétricos (1) que comprenden concentradores secundarios (4) de geometría tronco-piramidal con base anterior (5) poligonal, concretamente hexagonal. Las unidades de receptores solares (1) se sitúan de forma adyacente a través de las aristas de la base anterior (5) de los concentradores secundarios (4) de modo que la unión de dichas bases anteriores (5) forma una superficie plana.
En una realización preferente de la invención, cada una de las unidades de receptores solares (1) que componen el receptor solar objeto de la invención son del tipo volumétricos y están formadas por el concentrador secundario (4) con la geometría de tronco de pirámide con base poligonal que concentra el flujo solar sobre un absorbedor fabricado de distintos materiales a razón de la temperatura final objetivo. Dicho concentrador secundario
(4) conecta con la cavidad (2) del receptor solar (1) volumétrico por medio de una brida. La invención propuesta no hace uso de lentes fresnel ya que dada la concentración solar a la que se trabaja, es inviable el uso de dichas lentes por lo que esta invención es pionera en el apilamiento tridimensional de concentradores sin lentes fresnel.
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En la figura 3 se representa la comparación de la distribución de dos campos de helióstatos (30), para un receptor solar plano según el estado de la técnica, con un ángulo de aceptación  y para un receptor solar abovedado según la invención, con un ángulo de aceptación . Se aprecia claramente que para una misma potencia térmica existe un gran número de helióstatos alejados de la torre (6) en el caso de la configuración plana.
En la figura 4 se representa esquemáticamente el receptor solar objeto de la invención que comprende el conjunto de unidades de receptores solares (1) cuyas bases anteriores (5) de las superficies poligonales de los concentradores secundarios (4) forman la superficie abovedada. Se representa también el campo de heliostatos (30) orientado hacia dicha superficie abovedada y recibiendo la radiación solar procedente del sol (20).
Para conseguir dicha superficie abovedada en un ejemplo de realización todos los concentradores secundarios (4) tienen la misma configuración geométrica. Existen también otros ejemplos de realización donde la base anterior (5) del tronco de pirámide de los concentradores secundarios (4) es distinta. Más específicamente en un ejemplo de realización, el receptor objeto de la invención comprende al menos tres unidades de receptores solares (1), dos de ellos comprenden un concentrador secundario (4) con base anterior (5) hexagonal y un tercer concentrador secundario (4) comprende una base anterior (5) pentagonal. Esta combinación de geometrías de concentrador secundario (4) permite contar con una configuración abovedada empleando un número mínimo de geometrías regulares distintas de cara a una reducción del coste de los componentes comerciales.
El receptor solar abovedado está ubicado en la parte superior de una torre (6) solar mirando hacia el campo de heliostatos (30) con una inclinación acorde al número de heliostatos (30), pudiéndose contar con varias orientaciones de campos para una misma torre (6).
En la figura 5 se representa un ejemplo de realización de una torre (6) objeto de la invención. Dicha torre (6) comprende tres hendiduras (7) con forma abovedada localizadas en su parte superior destinadas a alojar un receptor solar según el objeto de la invención.
En la figura 6 se representa un ejemplo de realización de una estructura soporte (8) destinada a estar localizada en la hendidura (7). La estructura soporte (8) posee también una forma abovedada y puede ser metálica. De dicha estructura soporte (8) colgarían cada una de las unidades de los receptores solares (1) con concentrador secundario (4)
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integrantes del receptor abovedado objeto de la invención unidos por al menos tres puntos de sujeción.
Más específicamente, la estructura soporte (8) comprende una estructura reticular de barras interconectadas en nudos formando triángulos (9). La unión de cada unidad de receptor solar (1) a la estructura soporte (8) se produce porque cada cavidad (2) de cada unidad de receptor solar (1) está localizada entre las tres barras de cada triángulo (9) de la estructura (8) y porque la estructura (8) comprende además al menos un elemento de unión (10) que se extiende entre la cavidad (2) y un punto del triángulo (9). Más concretamente en la figura 7 se representa un ejemplo de realización donde el elemento de unión comprende sendas barras que unen los vértices de cada triangulo (9) a unas orejetas soldadas a la unidad de receptor solar (1) volumétrico por medio de pernos. La ventaja de este tipo de unión es que la barras son reemplazables en el caso de que se deterioraren.
Esta sujeción, está formada por dos barras concéntricas unidas por un elemento de alta tenacidad que le permite absorber las posibles fuerzas provenientes del receptor y provocados por anomalías en la operación, a su vez estas sujeciones han de tener capacidad portante ya que son los encargados de fijar los receptores a la estructura manteniendo su posición fija. La sujeción se realizaría por la parte posterior (cavidad (2)) del receptor, de esta forma los extremos poligonales de los concentradores secundarios formarían la geometría tridimensional objeto de esta configuración.
El anclaje se realiza preferentemente por la parte posterior de la unidad de receptor solar (1), es decir, por la parte de la cavidad (2) más alejada del concentrador secundario (4) lo que facilita el acople entre los concentradores secundarios (4) y permite que no haya espacio entre los lados coincidentes de cada base anterior (5) evitando así que se produzcan pérdidas por desbordamiento entre dichos espacios. Además se consigue evitar que la estructura soporte (8) reciba radiación directa, ya que si se anclase a algún punto de la cavidad (2) de la unidad del receptor (1) más cercano al concentrador secundario (4) se correría el riesgo de que algunos rayos entrasen por los posibles huecos que queden entre las aristas de los concentradores secundarios (4) limítrofes y dañasen la estructura soporte (8).
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras la estructura soporte (8) forma una porción de círculo inferior a 180º en el plano horizontal y una porción de círculo inferior a 90º en el plano vertical superior de tal forma que los receptores siempre mirarán hacia abajo al campo de heliostatos (30). La estructura soporte (8) se fija a la torre (6) por varios
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puntos de anclaje pudiendo estar tanto en el plano horizontal como en el plano vertical, de esta manera el reparto de esfuerzos en las vigas de la estructura soporte (8) es más uniforme.
La planta que contiene dicho receptor tiene como fluido caloportador preferentemente vapor, aire, Hélio o CO2, los cuales serán turbinados bajo un ciclo termodinámico de Brayton o de Rankine.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- Receptor solar abovedado, que comprende un conjunto de unidades de receptores solares (1) que a su vez comprenden:
    -una cavidad (2) adaptada para la circulación de un fluido presurizado y para la 5 realización de un intercambio térmico con dicho fluido,
    -un concentrador secundario (4) en conexión con la cavidad (2) de geometría tronco-piramidal con base anterior (5) poligonal y que está adaptado para la concentración de una radiación solar hacia la entrada de la cavidad (2),
    caracterizado por que las unidades de receptores solares (1) están localizadas de modo
    10 adyacente a través de las aristas de la base anterior (5) poligonal del concentrador secundario (4) de modo que la superficie formada por la unión de dichas bases anteriores
    (5) es una superficie abovedada.
  2. 2.- Receptor solar abovedado, según la reivindicación 1, caracterizado por que las unidades de receptores solares (1) comprenden receptores tubulares.
    15 3.- Receptor solar abovedado, según la reivindicación 1, caracterizado por que las unidades de receptores solares (1) comprenden receptores volumétricos.
  3. 4.- Receptor solar abovedado, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los concentradores secundarios (4) de las unidades de receptores solares (1) poseen la misma geometría tronco-piramidal.
    20 5.- Receptor solar abovedado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que comprende al menos tres unidades de receptores solares (1) donde la base anterior (5) poligonal de dos concentradores secundarios (4) es hexagonal y un tercer concentrador secundario (4) comprende una base anterior (5) pentagonal.
  4. 6.- Planta solar que comprende:
    25 - una torre (6),
    - un campo de heliostatos (30) orientados hacia dicha torre (6),
    caracterizada por que la torre (6) comprende el receptor solar abovedado descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  5. 7.- Planta solar, según la reivindicación 6, caracterizada por que la torre (6) comprende:
    10
    -
    al menos una hendidura (7) con forma abovedada localizada en su parte superior, y
    -
    una estructura soporte (8) del receptor solar abovedado con forma abovedada localizada en el interior de dicha hendidura (7).
  6. 8.- Planta solar, según la reivindicación 7, caracterizada por que la estructura soporte (8) 5 comprende una estructura reticular de barras interconectadas en nudos formando triángulos (9).
  7. 9.- Planta solar, según la reivindicación 8, caracterizada por que la cavidad (2) de cada unidad de receptor solar (1) está localizada entre las tres barras de cada triángulo (9) de la estructura soporte (8) y por que la estructura soporte (8) comprende al menos un elemento
    10 de unión (10) que se extiende entre la cavidad (2) y un punto del triángulo (9).
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