RECEPTOR DE DOBLE CAVIDAD PARA COLECTORES SOLARES DE FOCO

LINEAL

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención corresponde al campo técnico de la energía solar de concentración, en concreto a la tecnología de receptores solares térmicos de foco lineal, aportando un nuevo diseño de receptor más robusto para los captadores cilindroparabólicos con un ángulo de borde ( rim angle) inferior a 90 grados que operen en un rango de temperatura elevado

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el contexto de la industria termosolar, la tecnología de captadores cilindroparabólicos es la que más interés comercial despierta por su madurez tecnológica y el reducido riesgo a asumir por parte de los inversores en su implantación. De todos los elementos con los que consta cualquier captador, el receptor es el elemento más crítico, no sólo por la complejidad técnica que implica su fabricación, si no por ser uno de los elementos más vulnerables y costosos. Desde la implantación de las primeras plantas SEGS ( Solar Energy Generating Systems) en California en la década de los 80, el concepto de tubo receptor empleado por la industria no ha cambiado sustancialmente. Las primeras patentes donde se describe este concepto aparecieron en la década de los 70 y 80. Este es el caso, por ejemplo, del documento US4432343, donde se describe un captador cilindroparabólico formado por un reflector con sección parabólica cuyo receptor está formado por un absorbedor metálico tubular (con un recubrimiento selectivo, p. ej. cromado negro) rodeado de una cubierta de vidrio concéntrica a la anterior. En la citada invención también se detalla que deben existir condiciones de vacío entre el absorbedor y la cubierta de vidrio además de emplear fuelles de expansión para compensar los diferentes grados de dilatación térmica entre el metal y el vidrio. Desde entonces, en el estado de la técnica se han propuesto modificaciones parciales, pero todas ellas a partir del concepto de receptor tubular cilindrico. En el documento ES2125828 se propuso un tubo absorbedor con hendiduras en las paredes para favorecer el coeficiente de transferencia térmica entre la pared metálica y el fluido caloportador. Por su parte, en el documento W02007076578 se añade una cubierta aislante en la zona superior del absorbedor (mitad superior por donde no recibe radiación concentrada) para reducir las pérdidas térmicas. O incluso configuraciones como la descrita en DE10033240 donde el tubo absorbedor y la cobertura de vidrio cilindrica no son concéntricos. La geometría de la cobertura de vidrio también puede ser modificada. Según el documento DE10305428, la modificación parcial de la geometría de sección cilindrica mediante hendiduras en la cubierta de vidrio mejora el índice de interceptación del receptor.

Por su parte, los documentos US2007034204 y US2008087277 proponen soluciones alternativas a la unión clásica entre el tubo absorbedor y la cobertura de vidrio mediante fuelle metálico.

Aunque en el estado del arte abundan las invenciones basadas en absorbedores tubulares de sección circular, existen algunas invenciones que ya han introducido el concepto de receptor de cavidad en el contexto de los captadores cilindroparabólicos. Los documentos US20130192226 y WO2015089273 destacan las ventajas del uso de un receptor tubular, el cual queda recubierto en su parte superior con aislante térmico y en su parte inferior se habilita una cavidad. Esta cavidad puede estar cerrada en su parte inferior por un cierre de vidrio simple cuya finalidad es sellar la cavidad existente para favorecer la estratificación. Según sus autores, para reducir las pérdidas térmicas, es muy importante que la superficie emisora del absorbedor metálico sea la mínima posible, a pesar de encontrarse en una cavidad. Por esta razón, las superficies laterales de dicha cavidad no forman parte del cuerpo del absorbedor metálico. Un documento anterior, US20100043779, sí propone un receptor con absorbedor de cavidad cóncavo, pero esta cavidad está circundada por 3 elementos: tubo absorbedor cóncavo, aislante térmico y cierre de vidrio sencillo que es pasivo desde el punto de vista óptico (ver figuras 6 y 7 de dicho documento). Por su parte, en US1661473 también se propone un receptor con un absorbedor metálico en forma de cavidad al cual se le puede adjuntar una lente convencional maciza en su apertura inferior.

No obstante, no se encuentran en el estado del arte ninguna invención relativa a un receptor de cavidad, donde esta cavidad esté íntegramente circundada por el absorbedor metálico, junto con un cierre de vidrio inferior que a su vez se emplee para crear otra cavidad secundaria inferior cuya pared (esto es, todo el perímetro que circunda con aire) tenga una funcionalidad óptica para reconcentrar los rayos. De forma particular, el documento DE102006048734 sí concibe un sistema óptico con forma de cavidad trapezoidal pero acoplado a un receptor tubular bajo un reflector secundario. Sin embargo, esta cavidad está circundada en su cara inferior por una lente tipo Fresnel junto con un cierre simple de vidrio en su cara superior. Este hecho no optimiza el proceso de concentración de rayos, ya que cada rayo tiene que cruzar 4 interfases vidrio-aire (con las correspondientes penalizaciones ópticas), beneficiándose sin embargo sólo de una etapa de concentración que se materializa en las dos primeras interfases (lente Fresnel). Es conveniente citar también que la fabricación de una lente tipo Fresnel es más costosa que una pared de vidrio con contornos suaves. Además, según se desprende de la descripción del citado documento alemán, las paredes laterales de esta cavidad trapezoidal no cumplen ninguna función óptica más que sostener la lente Fresnel, por lo que pueden ser de cualquier material, lo que limita el ángulo de borde ( rim angle) que admite el receptor.

A todos los factores comentados anteriormente, hay que añadir un problema común en todos los diseños que emplean cámara de vacío para reducir las pérdidas térmicas por convección. Si esta cámara de vacío no se encuentra circundada por una pieza compacta de vidrio, se requieren sellos entre el vidrio y el otro material que circunde la citada cámara. Estos sellos además de costosos son vulnerables a fallos de sellado, degradando el nivel de vacío en la cámara y aumentando las pérdidas térmicas, incrementando la tasa de fallos de los receptores en la instalación.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un nuevo concepto de receptor de foco lineal cuyo objetivo es cumplir una función análoga a la de aquellos receptores existentes en los colectores cilindroparabólicos. Mediante este nuevo diseño de receptor de doble cavidad se aporta una alternativa para sistemas que operen en un rango de temperaturas elevado (> 300 °C), como es el caso de los sistemas termosolares para la generación de electricidad. El receptor comprende un absorbedor metálico cóncavo delimitado en su apertura por una rendija de un ancho d cubierta por una lente (ver figura 2). Así, el absorbedor y la lente delimitan una cavidad principal por debajo de la cual se encuentra otra segunda cavidad sometida a vacío y delimitada por una pieza de vidrio de una geometría determinada y espesor variable.

La cavidad limitada por vidrio que se encuentra al vacío aporta dos ventajas principales:

Durabilidad: Al existir una cámara inferior estanca, se puede habilitar una cámara aislante de vacío íntegramente sellada por vidrio a través de un pieza compacta y desmontable. Esto aumenta la vida media operativa de los receptores al no requerir de soldadura vidrio metal, lo que garantiza altos niveles de vacío durante la vida operativa del receptor, limitando las pérdidas térmicas.

Pérdidas por radiación: Puesto que el vidrio es prácticamente opaco a la radiación infrarroja, se reducen los efectos de las pérdidas por radiación ya que se cuenta con una doble pared de vidrio. Además, gracias a la etapa se concentración proporcionada por las paredes de la cámara de vacío, se reduce el área emisora de radiación infrarroja, pudiendo prescindir de un recubrimiento selectivo de muy baja emitancia en la superficie metálica del absorbedor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, 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.- Gráfica con representación general del patrón radial que siguen tanto el borde interior como exterior de la pared inferior de la pieza de vidrio.

Figura 2.- Muestra la sección transversal al eje longitudinal del receptor de doble cavidad.

Figura 3.- Muestra el sistema de coordenadas empleado para definir los contornos de la pieza de vidrio.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un receptor solar (fig. 2), formado por 3 elementos principales:

(i) Un absorbedor metálico (2), por dentro del cual circula el fluido caloportador (3). La superficie interna del absorbedor (con geometría cóncava) abarca la mayor parte del perímetro de la cavidad principal (4). Como caso particular, este diseño puede adoptar la forma característica de una herradura cuya geometría queda definida, entre otros parámetros, por el ancho de la rendija de apertura (d). (ii) Una lente ovoidal que ocupa todo el ancho d de la rendija. Gracias al absorbedor y a una lente (8) de forma ovoidal que ocupa todo el ancho d de la rendija la cavidad principal (4) queda aislada del exterior para reducir pérdidas térmicas. La superficie interior de la cavidad (1) puede estar tratada con un recubrimiento selectivo, aunque los valores de absortancia y emitancia de esta superficie absorbedora no son tan críticos como en los diseños de tubos absorbedores convencionales, ya que la rendija de anchura d es la única superficie por donde se producen pérdidas radiantes. Esta cavidad principal (4), a diferencia de la cavidad al vacío (7) que se describirá más adelante, está llena de aire en condiciones atmosféricas. (iii) Una pieza de vidrio que tiene como función principal redireccionar los rayos solares concentrados por el reflector primario mediante refracción además de delimitar una cámara de vacío (7) para reducir las pérdidas convectivas. La descripción más general de esta pieza de vidrio posee tres partes principales que le confieren su carácter distintivo:

(iii.1) Rendija de apertura con una anchura d que constituye el acceso de los rayos a la cámara de aire. Esta rendija está ocupada por una lente interior con forma ovoidal (8), de forma que la geometría de cada uno de sus bordes (superior e inferior) puede definirse a partir de un polinomio de grado n expresado en coordenadas polares, siendo el origen del sistema de coordenadas el punto focal (p) del reflector primario y el ángulo θ definido como positivo en sentido horario (ver figura 3) con origen angular en la dirección horizontal:

Ambos polinomios (tanto el del borde superior como el del inferior) deben satisfacer la condición siendo d la anchura de la citada rendija de apertura del absorbedor. Aprovechando la simetría existente respecto al eje vertical que pasa por el punto focal p, sólo es necesario definir estos bordes en uno de los dos cuadrantes que ocupa.

(iii.2) El cierre superior de la pieza de vidrio (9) está constituido por dos paredes planas simétricas y horizontales de vidrio a ambos lados de la lente con forma ovoidal. El espesor de esta pared garantiza la rigidez de la pieza de vidrio. Sin embargo, un exceso de espesor implica un aumento de las pérdidas térmicas por conducción a través de la longitud de esta pared de vidrio. La cara inferior de estos cierres de vidrio puede estar tratada con un recubrimiento selectivo o aislamiento para compensar la alta emisividad del vidrio.

(iii.3) En el límite externo de la pieza de vidrio se encuentra la pared de espesor variable (10) que circunda el borde inferior de la cámara de vacío. La geometría de esta pared posee forma de arco invertido. Tanto el contorno interno como el externo de esta pared sigue un patrón geométrico que puede ser definido en coordenadas polares siendo el origen del sistema de coordenadas el punto focal del reflector primario (p) (reflector con un ángulo de borde, o rim angle, inferior a 90 grados) y el ángulo θ definido como positivo en sentido horario (ver fig. 3). Atendiendo a la figura 1, el patrón geométrico de cada uno de los dos bordes, queda determinado por una función a trozos continua y derivable definida en el intervalo

1. Trozo 1 , correspondiente a la región I (ver fig. 1 y fig. 2) y definido en el intervalo que pasa por los puntos extremos del intervalo . Este trozo de la función queda definido por un polinomio con tendencia creciente

2. Trozo 2, correspondiente a la transición entre la región I y II en la fig. 1). Se trata de un spline (polinomio cúbico) que debe pasar por los puntos inicial y final del intervalo además de garantizar que la función sea derivable en

3. Trozo 3, correspondiente a la región II (ver fig. 1 y fig. 2) y definido en el intervalo que pasa por los puntos extremos del intervalo Este trozo de la función queda definido por un polinomio con tendencia decreciente

4. Trozo 4, correspondiente a la transición entre la región II y III en la fig. 1). Se trata de un spline (polinomio cúbico) que debe pasar por los puntos inicial y final del intervalo además de garantizar que la función sea derivable en

5. Trozo 5, correspondiente a la región III (ver FIG. 1 y FIG. 2) y definido en el intervalo que pasa por los puntos extremos del intervalo

Debido a la tendencia en las regiones I y II de los contornos interno y externo de la pieza de vidrio, se configura una lente convergente con eje curvo cuya función es redireccionar los rayos que inciden de forma más oblicua sobre la rendija de entrada a la cavidad del absorbedor.

Opcionalmente, el absorbedor (2) puede estar recubierto de un aislamiento térmico (5), que reduce hasta niveles despreciables cualquier tipo de pérdida térmica a través perímetro exterior del receptor. Este aislamiento puede quedar cubierto y protegido de los agentes externos por una carcasa protectora (6).

El concepto de receptor de doble cavidad presenta las siguientes ventajas en relación con los receptores de vacío convencionales: (i) Es un diseño más robusto, ya que puede mantener niveles de vacío adecuados durante periodos más largos que los receptores actuales prescindiendo de soldaduras vidrio-metal.

(ii) Puede evitarse la aplicación de un recubrimiento selectivo de alta eficiencia sobre la superficie interior (1) del absorbedor metálico, ya que el vidrio es prácticamente opaco a la radiación térmica y su conductividad térmica es baja. Además, la superficie emisora de radiación (ancho de la rendija de apertura) se reduce respecto al perímetro de un absorbedor convencional.

(iii) En caso de rotura en alguno de los 3 elementos del receptor, no es necesario reemplazar todo el receptor, si no solo el elemento afectado. Esto también facilita cualquier reparación.

(iv) El material de aislamiento térmico (p. ej. lana de roca) hace que no exista flujo de calor por el contorno superior del absorbedor, y por tanto contribuye a reducir la diferencia de temperatura entre el fluido y la pared superior del mismo, limitando el stress térmico al que el receptor se ve sometido. Esto limita los gradientes térmicos en la pared metálica.

(v) No se necesitaría tipo alguno de fuelle, ya que los elementos van encajados, lo que permite el deslizamiento entre la cara superior de la pieza de vidrio y el resto de elementos para compensar los diferentes coeficientes de dilatación.

(vi) La superficie activa de intercambio térmico entre el absorbedor metálico y el fluido (con relación a la sección de paso) es mayor, ya que la geometría del absorbedor puede modificarse sin afectar a la anchura de la rendija de apertura.

(vii) Es mucho más sencilla la instalación de sensores para monitorizar la temperatura y presión interior del absorbedor metálico en diferentes puntos a través del aislamiento superior.

(viii) Las paredes de la cámara de vacío pueden aprovecharse para (mediante paredes de vidrio de espesor variable) redireccionar los rayos de forma que se pueda reducir la anchura de la rendija de apertura del absorbedor metálico. Todas las interfaces que atraviesan los rayos (cuatro interfaces aire-vidro) son activas desde el punto de vista óptico, mejorando el factor de concentración. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN A continuación, en la figura 2 se muestra una realización concreta de la invención, sin que esta suponga una limitación respecto a lo que un experto entenderá como alcance de la invención. En esta puesta en práctica particular, el receptor de la invención está asociado a un reflector primario con una distancia focal de 1.71 m. La geometría de los bordes de la lente ovoidal (8) viene determinada por r _sup y r _inf para el contorno superior e inferior mediante los siguientes polinomios (ver fig. 3): donde el radio viene expresado en metros (siendo el origen de la coordenada radial el punto focal p y el término independiente de ambos polinomios coincidente con

Por su parte, el cierre inferior de la cámara de vacío (10) se define de forma análoga. El radio del borde interno r _int se define mediante una función continua derivable formada por 5 trozos (ver fig. 1 y fig. 3): El borde externo r _ext , se define de forma similar a través del mismo modelo de función expresada en coordenadas polares:

Gracias a esta configuración de la pieza de vidrio, se permite la existencia de una cámara de vacío en el interior de la misma (7). Además, con la finalidad de compensar los diferentes grados de dilatación existentes entre la pieza de vidrio (10) y el absorbedor metálico (2), se debe permitir deslizamiento parcial entre ambas piezas a lo largo del eje longitudinal del receptor. El hecho de que la cavidad principal (4) se encuentre a presión atmosférica facilita el montaje y el mantenimiento del receptor, ya que no es necesario ningún tipo de sello especial entre absorbedor, pieza de vidrio y aislamiento.

Debido a la propia naturaleza de la invención propuesta, el receptor de doble cavidad presenta una reducción drástica de las pérdidas térmicas, a expensas de penalizar el rendimiento óptico debido a la existencia de una segunda pared de vidrio en el trayecto que recorren los rayos solares concentrados (existen cuatro fronteras vidrio- aire). Este hecho implica que este receptor es el diseño más apropiado cuando la temperatura de operación del fluido es muy alta, lo que aconseja el uso de la invención en los tramos finales de los lazos de captadores. De forma general, se aconseja el uso del receptor de doble cavidad en instalaciones donde la temperatura promedio del fluido caloportador sea elevada (>300 °C), además de en sistemas donde sea indispensable mantener la temperatura del fluido en ausencia de radiación solar durante largos periodos (por ejemplo durante la noche) o en sistemas que usen sales fundidas como fluido caloportador.

El concepto de receptor de doble cavidad puede ser aplicado también en sistemas híbridos cuya función sea la de proporcionar aire y fluido caloportador a alta temperatura. Además del fluido caloportador circulando por la sección de paso interior (3), se puede establecer una corriente secundaria e independiente de aire en la cavidad interna (4). Este flujo secundario permite calentar aire, aumentando el coeficiente de transferencia térmico total del receptor. En función de la temperatura del flujo de aire, las pérdidas térmicas pueden descender de forma sensible al reducir la temperatura de la lente ovoidal (8) y recuperar parte de la energía térmica procedente de las pérdidas ópticas de carácter volumétrico.