COLECTOR DE CALOR

D E S C R i P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se engloba en el campo técnico de instalaciones de concentración solar del tipo que utiliza reflectores cilindro-parabólicos. Más en particular, la presente invención describe una instalación que tiene por objeto compensar las desviaciones de uno o más tubos colectores de calor con respecto a la línea focal debido a las dilataciones y expansiones térmicas que sufren dichos tubos por las diferentes temperaturas que alcanza el fluido ealoportador en distintos tramos de la instalación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Dentro del amplio espectro de recursos y tecnologías renovables llamadas a completar el mapa de suministro energético global se encuentran las centrales termosolares, siendo la basada en la técnica de cilindro parabólico la más establecida, en la cual y por medio de espejos cilindro parabólicos - con orientación continua al Sol de Este a Oeste - se concentra la radiación solar en un elemento o tubo colector de calor, ubicado en la linea foca! óptica del colector que está definida por los espejos cilindro parabólicos. Un fluido de transferencia de calor circula por el interior de los tubos colectores de calor y transporta la energía absorbida a un bloque de potencia convencional donde se genera energía eléctrica.

Sobre la base de una sólida competencia actual y márgenes cada vez más estrechos, una de ¡as estrategias necesarias con ¡as que mantener la competitividad y la posición de mercado en el sector energético se centra en poder minimizar el coste nivelado del kilovatio-hora generado, es decir, aumentar ¡a eficiencia tota! de la planta durante su vida útil.

En el caso de ¡a tecnología CSP, uno de los criterios de diseño fundamentales con impacto directo en dicho objetivo es la eficiencia térmica del campo solar, cuyo valor dependerá a su vez de la llamada eficiencia óptica de pico, definida como la relación entre la potencia radiante absorbida por el tubo receptor o tubo colector de calor y la potencia solar radiante útil en el colector cilindro parabólico.

En el estado de la técnica, ios tubos colectores de calor sufren significativas desviaciones con respecto a la línea focal debido a expansiones térmicas por las diferentes temperaturas que alcanza el fluido caloportador en distintos tramos de la instalación.

Así, lo conocido anteriormente en operación propone una asunción de la desviación detectada en perjuicio de una menor eficiencia óptica y térmica, como consecuencia, presentando un mayor coste por kilovatio-hora generado.

Las juntas rotativas o “Ball Joints”, conectan distintas filas de colectores solares unidos entre sí, normalmente formando un circuito o lazo solar en U, asegurando la comunicación fluida o continuidad del fluido caloportador, Dichas juntas rotativas, son uno de ios componentes auxiliares de mayor responsabilidad por las solicitaciones dinámicas y térmicas a que están sometidos, presentándose estadísticamente una tasa de fallo superior al 10%.

Una importante causa de fallo de estas juntas rotativas son las dilataciones térmicas ai obligarlas a trabajar en un plano que no es recto entre conexiones.

Acerca de la problemática relacionada con ei comportamiento mecánico de las juntas rotativas, si bien se han planteado avances, por ejemplo, en la materia descrita por ei documento ES2302485, estos han sido basados en alternativas complejas y no focalizadas en aportar además una mejoría al sistema desde el punto de vista óptico.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende solucionar alguno de ios problemas mencionados en ei estado de la técnica. Más en particular, la presente invención describe una instalación de concentración solar de tipo cilindro parabólico para compensar la expansión térmica de ai menos un tubo colector de calor, que comprende: un colector solar provisto de una estructura a la que están conectados una pluralidad de espejos cilindro parabólicos que concentran la radiación solar hacía un tubo colector de calor dispuesto sustancialmente en la línea focal óptica definida por ios espejos cilindro parabólicos, donde dicho tubo colector de calor comprende un fluido caloportador y está soportado y operativamente conectado a la estructura por medio de una pluralidad de elementos de soporte, un módulo de montaje que comprende una pluralidad de colectores solares conectados entre sí y en comunicación fluida del fluido caloportador por el interior del tubo colector de calor, donde dicha instalación comprende, además, uno o más soportes que unen el tubo colector de calor a los elementos de soporte a una o más alturas de montaje distintas a la altura de la línea focal óptica, presentando dichos uno o más soportes una holgura en una porción inferior para permitir la expansión térmica del tubo colector de calor, de manera que, las una o más alturas de montaje están dimensionadas para compensar la expansión térmica del tubo colector de calor y la consiguiente desviación con respecto a la línea focal óptica a lo largo de un módulo de montaje.

La instalación puede comprender circuitos colectores o un lazo solar que comprenden dos o más montajes de concentración solar cada uno con una pluralidad de colectores solares. Dichos lazos solares generalmente están dispuestos conectados en forma de U uniendo dos filas de montajes de concentración solar. Dicha unión o conexión se realiza por medio de juntas rotativas que permiten ia comunicación fluida del fluido caloportador entre distintos tubos de concentración solar.

Fijados ciertos parámetros de funcionamiento, el proceso termodinámica en la instalación requiere elevar ia temperatura dei fluido caloportador, óptimamente, desde una temperatura igual a 293°C a ia entrada de un lazo o circuito, hasta una temperatura igual a 393 °C a la salida de este. Se cuenta pues con un proceso en el que dicha temperatura final es alcanzada de manera progresiva, encontrándose asi tramos dei tubo coiector solar con fluido caloportador en su interior a diferentes temperaturas. Debido a la expansión térmica se tiene como consecuencia una deformación dei tubo variable en su recorrido y que provoca en cada punto una desviación diferente respecto a su posición ideal de diseño, a saber, la línea focal de ia parábola definida por ios espejos reflectantes.

Para ello, en una realización preferente, se propone variar en cada elemento de montaje únicamente el elemento en contacto directo con el tubo, a saber, el elemento denominado soporte en la presente invención. En una realización preferente, ¡as alturas de montaje se pueden variar mediante un simple cambio de ¡a geometría interior de cada soporte dependiendo de ia altura requerida en cada tramo para compensar las expansiones térmicas del tubo colector de calor.

Manteniendo criterios de estandarización de componentes, economía de fabricación y simplicidad en el ensamblaje, se pretende corregir ¡a desviación descrita mediante el uso de tubos colectores solares dispuestos a diferentes alturas (en posición de montaje) en función del valor de temperatura previsto en el fluido caioportador en cada punto de ¡a instalación.

Al utilizar uno o más soportes con distintas alturas de montaje concienzudamente dispuestos para compensar ¡as expansiones térmicas a lo largo de cada módulo de montaje, se consigue aumentar ¡a eficiencia óptica de ¡a instalación. Más en particular, se ha conseguido cuantificar dicha mejora en ¡a eficiencia óptica en más de un 0,2% para cada módulo de montaje. Presentando un factor de interceptación resultante superior ai 97%.

Además, tal y como se ha mencionado anteriormente, ¡as juntas rotativas o ¡os elementos de conexión entre tubos colectores que permiten ¡a continuidad al fluido caioportador, son uno de ¡os componentes auxiliares de mayor responsabilidad por ¡as solicitaciones dinámicas y térmicas a que están sometidos, presentándose estadísticamente una tasa de fallo superior al 10%.

La existencia de una menor desviación en la posición del tubo colector de calor con respecto a su posición focal óptica teórica aumenta la vida útil de estas juntas rotativas al permanecer operando en un plano cercano a 0 ^o .

Sobre ia base de los cálculos y simulaciones térmicas, estructurales y ópticas pertinentes, ¡a posición referente del tubo colector de calor puede ir asociada a un valor de temperatura promedio determinado entre los valores límite a lo largo del recorrido del fluido. A modo de ejemplo, para un lazo solar compuesto por cuatro módulos de montaje y nueve colectores solares por cada módulo de montaje, en un estudio realizado se determinó utilizar tres posiciones distintas del tubo colector solar a lo largo del lazo solar.

Como consecuencia, en una realización preferente la instalación comprende dos o más soportes que unen el tubo colector de calor a los elementos de soporte a dos o más alturas de montaje distintas con respecto a la altura de la línea focal óptica.

Uno de los soportes puede unir el tubo colector solar al elemento de soporte a la altura de la línea focal.

No obstante, la selección de cantidad de soportes que aporten diferentes alturas de montaje, puede ser un compromiso entre facilidad de montaje y/o fabricación vs. aumento de la producción energética y/o disminución de fallos en las juntas rotativas para una determinada instalación con una determinada configuración de módulos de montaje y lazos solares.

Preferentemente, los uno o más soportes rodean al menos parcialmente al tubo colector de calor y presentan una configuración geométrica interior dotada de al menos dos salientes de apoyo que definen la altura de montaje.

En una realización preferente, dos o más soportes presentan una configuración geométrica interior dotada de al menos dos salientes de apoyo, donde cada soporte presenta salientes de apoyo dispuestos a diferentes alturas con respecto al perímetro del tubo colector de calor para aportar dos alturas distintas de montaje en función de las necesidades.

Nótese que, de esta manera, la instalación presenta un soporte configurado para una altura de montaje igual a la altura focal óptima, y dos o más soportes configurados para presentar una altura de montaje distinta a la altura focal óptica, permitiendo así, variar la altura de montaje del tubo colector de calor en cada uno de los elementos de soporte con el objeto de maximizar la captación de calor y evitar el daño en las juntas rotativas.

En lugar de utilizar tres soportes o más soportes, a saber, un soporte donde la altura de montaje es igual a la altura focal óptica y dos o más soportes con una altura distinta, en una realización alternativa de la presente invención, cada soporte está dotado de ai menos dos salientes de apoyo fijos o desplazables a lo largo del perímetro interior del soporte, permitiendo así que, un mismo tipo de soporte pueda ser utilizado para variar las alturas de montaje a lo largo de un módulo de montaje. Por ejemplo, cada soporte puede tener una corredera en el perímetro interior y un mecanismo de bloqueo para bloquear el saliente en la posición deseada,

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de un colector solar, donde se ilustra claramente que comprende elementos de soporte, una estructura y espejos cilindro parabólicos

Figura 2.- Muestra una vista esquemática en alzado, de un módulo de montaje que comprende nueve colectores solares como el mostrado por la figura 1, con un fluido caloportador en el interior de un tubo colector solar.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de un soporte que une el tubo colector de calor a los elementos de soporte a una altura de montaje sustancialmente igual a la altura de la línea focal óptica.

Figura 4A.- Muestra una vista en alzado del soporte de la figura 3.

Figura 4B.- Muestra una vista en alzado de un soporte de acuerdo con una realización de la presente invención, donde dicho soporte une el tubo colector de calor a los elementos de soporte a una primera altura de montaje distinta a la altura de la línea focal óptica y presenta una holgura (10) para permitir la expansión térmica. Figura 4C.~ Muestra una vista en alzado de un soporte de acuerdo con una realización de la presente invención, donde dicho soporte une el tubo colector de calor a los elementos de soporte a una segunda altura de montaje distinta a la altura de la línea focal óptica (F) y presenta una holgura para permitir la expansión térmica.

Figura 5.- Muestra una vista esquemática de una realización preferente de la presente invención donde se ilustra una instalación de concentración solar de tipo cilindro- parabólico optimizada con diferentes alturas de montaje por medio de dos soportes y un tercer soporte configurado para montar el tubo colector a una altura igual a la altura de la línea focal óptica.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Seguidamente se ofrece, con ayuda de las figuras adjuntas 1-5 antes descritas, una descripción en detalle de un ejemplo de realización preferente del objeto de la invención.

El objeto de la invención se refiere a una instalación de concentración solar de tipo cilindro parabólico para compensar la desigual expansión térmica de tubos de colectores de calor (4) como consecuencia de las diferentes temperaturas del fluido caloportador en distintos tramos de la instalación.

Para ello, tal y como ilustra la figura 1 y figura 2 se describe una instalación de concentración solar del tipo que comprende un colector solar (1) provisto de una estructura (2) a la que están conectados una pluralidad de espejos cilindro parabólicos (3) que concentran la radiación solar hacía un tubo colector de calor (4) dispuesto sustancialmente en la línea focal óptica definida por los espejos cilindro parabólicos (3), donde dicho tubo colector de calor (4) comprende un fluido caloportador y está soportado y operativamente conectado a la estructura (2) por medio de una pluralidad de elementos de soporte (5).

Además, la instalación comprende módulos de montaje (6) conectados entre sí, donde cada módulo de montaje (6) tal y como muestra la figura 2 comprende una pluralidad de colectores solares (1) conectados entre sí y en comunicación fluida del fluido caloportador por el interior del tubo colector de calor (4), Además, la figura 3 y la figura 4A ilustran a modo de ejemplo un soporte (7A) que une el tubo colector de calor (4) a los elementos de soporte (5) a susfancialmente la altura de la línea focal óptica (F).

Como muestra la figura 4, para solucionare! problema descrito arriba, en una realización preferente la presente invención da a conocer dos soportes (7B,7C) que unen el tubo colector de calor (4) a los elementos de soporte (5) a una o más alturas de montaje (h1, h2) distintas a la altura de la línea focal óptica (F), presentando dichos uno o más soportes (7B, 7C) una holgura (10) en una porción inferior para permitir la expansión térmica del tubo colector de calor (4), de manera que, las una o más alturas de montaje (h1 ,h2) están dimensionadas para compensar la expansión térmica de! tubo colector de calor (4) y la consiguiente desviación con respecto a la línea focal óptica (F) a lo largo de un módulo de montaje (6).

Más en particular, tal y como muestra la figura 4B y 4C, los (7B,7C) rodean parcialmente al tubo colector de calor (4) y presentan una configuración geométrica interior dotada de dos salientes de apoyo (8), donde cada soporte (7A,7B) presenta salientes de apoyos (8) dispuestos a diferentes alturas con respecto ai perímetro de! tubo colector de calor (4).

La figura 5 muestra una vista esquemática de una realización preferente de una instalación de concentración solar de tipo cilindro-parabólico optimizada con diferentes alturas (F, h1 , h2) mediante el uso de los tres soportes (7A,7B, 7C). Más en particular, la instalación comprende cuatro módulos de montaje (8) conectados entre sí en una configuración en U definiendo un circuito colector (9), donde cada módulo de montaje (6) comprende a su vez nueve colectores solares (1) estando el fluido caloportador en comunicación fluida de cada tubo colector de calor (4) gracias a las juntas rotativas (11).

En la realización preferente que ilustra la figura 5, la instalación optimizada con diferentes alturas (F, h1, h2) del tubo colector de calor (4) para compensar las expansiones térmicas y aumentar el rendimiento hace uso de tres soportes (7A,7B,7C) en la configuración y disposición allí ilustrada, a saber, cada colector solar (1) utiliza un tipo de soporte (7A, 7B o 7C). En otras palabras, un soporte (7A) que aporta una altura igual a la altura de la línea focal óptica (F) y dos soportes con diferentes alturas de montaje (h1, h2). Los módulos de montaje (6) cercanos a ¡a salida y a la entrada requieren de tres alturas (f, h1, h2) mientras que los dos módulos de montaje (8) más alejados hacen uso sólo de dos soportes (7A, 7B).