SOLAR

Sector técnico de la invención

La presente invención se encuadra dentro del sector de la energía termosolar, concretamente dentro de los desarrollos de tubos colectores solares y más detalladamente se centra en la posible ubicación de los getter no evaporables o evacuadores de vacío dentro de este tipo de tubos colectores.

Antecedentes de la invención

Los getters son materiales sólidos, aleaciones de diferentes metales, capaces de absorber químicamente moléculas de gas en su superficie. Son ampliamente usados para una variedad de aplicaciones como en aceleradores de partículas, tubos de vacío, sistemas de purificación de gas inerte, etcétera.

El getter no evaporable de la invención será utilizado en un tubo de vacío de los que se emplean como receptores solares. En general, estos receptores constan de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera el vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo exterior es de vidrio, habitualmente de borosilicato.

Entre ambos tubos se coloca un dispositivo compensador de expansión en forma de fuelle, de manera que permite el movimiento relativo entre el tubo metálico y de vidrio, absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia existente entre los coeficientes de dilatación de ambos y garantizando así el vacío.

Además del dispositivo compensador de expansión, este tipo de tubos requiere la instalación de materiales que detecten y supriman las moléculas de hidrógeno que pueden introducirse en la zona del vacío. Estas moléculas se producen por la degeneración térmica que sufre el aceite que se utiliza como fluido caloportador y que circula por el interior del tubo metálico, debido a las altas temperaturas que alcanza. Estas moléculas acaban pasando a través del tubo metálico y entrando en la zona de vacío, aumentando las pérdidas térmicas y en consecuencia, disminuyendo de manera importante la eficiencia del sistema.

Es por eso que siempre se instalan aleaciones del tipo getter no evaporable en la zona de vacío para que, en el caso de que haya alguna molécula de H ₂ , sea captada por la superficie de este material.

En los desarrollos conocidos hasta el momento existen diferentes diseños de getter no evaporables que se ubican en distintas localizaciones dentro de la zona de vacío. Un ejemplo se encuentra en la patente US 2007034204 A1 de SCHOTT. En este documento el getter no evaporable está dispuesto en un espacio anular exterior entre el dispositivo compensador de expansión y el elemento de transición vidrio-metal. El getter es protegido de la radiación solar incidente por el elemento de transición vidrio- metal y de la radiación reflejada, por el dispositivo compensador de expansión. Así pues, queda una estructura que radialmente, de dentro a fuera, está compuesta por el tubo de metal, elemento de conexión, dispositivo compensador de expansión, getter no evaporable, elemento de transición vidrio-metal y tubo de vidrio.

Esta disposición tiene una serie de inconvenientes como son: aumento del diámetro mínimo necesario de tubo de vidrio para albergar todos esos elementos en su interior, someter al getter a los esfuerzos mecánicos que sufre el fuelle de compensación de expansión o bellow, necesidad de introducir las pastillas redondas de getter en una vaina y con una malla protectora que roza con el dispositivo de compensación de expansión y, en el caso de necesitar más cantidad de material para aumentar la absorción, no queda más remedio que aumentar el tamaño o el número de las pastillas de getter, lo que implica aumentar diámetro del tubo de vidrio. Además, como sólo se instala en uno de los dos extremos del tubo, supone que el tubo tenga distinta geometría a ambos lados. Por todo ello, el montaje es muy artesanal y no hay forma de automatizarlo pues, adicionalmente, las pastillas que forman el getter son finas y muy frágiles.

Otro ejemplo se encuentra en el desarrollo de la empresa SOLEL SOLAR SYSTEMS LTD, que ubica los getter a lo largo del tubo, alejándose de las tapas, como en el documento IL153872 A, donde coloca un soporte dentro del área de vacío y a lo largo del tubo absorbedor donde coloca las pastillas de getter. Eso conlleva a una pérdida de eficiencia pues se disminuye radicalmente la superficie útil para captación de radiación solar.

Así pues, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un nuevo diseño para ubicar el getter no evaporable de los tubos absorbedores de manera que se consiga todavía mayor facilidad de montaje que en el anterior, sin dejar de solventar todos los inconvenientes descritos del estado de la técnica, incluso aumentando la rigidez del tubo y sin disminuir la eficiencia del sistema.

Descripción de la invención La invención consiste en una nueva disposición de getter para tubo colector solar, así como varias modificaciones en el resto del tubo, mayoritariamente en sus extremos, acordes con esta nueva disposición.

La función del getter no evaporable, a pesar de su importancia, no ha de interferir con el principal propósito del tubo receptor que es la de maximizar su rendimiento térmico. Su disposición ha de permitir esta situación sin comprometer su función de garantizar el correcto envejecimiento del producto.

Como se ha comentado anteriormente, por sus diversas ubicaciones en el estado de la técnica, originaba una geometría de carcasa diferente en cada uno de los dos extremos para poder alojarlo, que a su vez condicionaba el valor del diámetro del cilindro de vidrio o borosilicato.

Para solventar los problemas encontrados en el estado de la técnica conocido, se han desarrollado nuevas propuestas de diseño vinculadas a la geometría y disposición, tanto del tubo colector, como del conjunto de getters no evaporables. Estas nuevas propuestas son:

1. Nueva geometría con tubo metálico similar al actual pero con tubo de vidrio de mayor diámetro y con una excentricidad definida respecto al tubo metálico en función de la óptica del colector. La excentricidad del tubo permite mejorar el comportamiento óptico del tubo receptor por cuanto el tubo de vidrio puede aprovecharse como sustrato para añadir un reconcentrador de la radiación solar mediante un espejado parcial, que se comenta a continuación.

2. El tubo de vidrio nuevo está parcialmente espejado. La zona espejada se convierte en una superficie óptica con tolerancias que deben ser minimizadas y controladas pues irregularidades excesivas en esta superficie óptica pueden provocar que los rayos reflejados no alcancen el tubo metálico. El espejado puede aplicarse directamente sobre la cara interior del tubo de vidrio o espejando directamente sobre la cara exterior del tubo de vidrio o añadiendo un film o espejo fino sobre cualesquiera de las caras interior o exterior del tubo de vidrio.

3. La radiación solar llega al tubo metálico en todo el perímetro. La distribución de flujo no es uniforme en el perímetro; el flujo de calor es mayor en el perímetro que se encuentra directamente enfrentado al reflector primario. Estas nuevas condiciones de contorno provocan que el estado tensional generado ante esta nueva carga térmica sea diferente de la conocida en el estado de la técnica. 4. El tubo metálico y el tubo de vidrio deben estar en sección siempre en la misma posición pues cualquier desplazamiento relativo puede provocar que los rayos se escapen. Como el tubo metálico y el tubo de vidrio tienen coeficientes de dilatación térmica diferentes y la geometría de los tubos cambia, el elemento compensador de dilataciones (bellow) deberá permitir, ante la nueva carga térmica definida en el punto 3, la deformación axial relativa entre ambos tubos, a la vez que se asegure el control de los desplazamientos relativos entre el tubo metálico y el de vidrio fuera de su eje. Para ello un nuevo concepto de bellow debe ser desarrollado con frontal con espesores variables y rigidizaciones locales (nervios).

5. Nuevo concepto de getter. La nueva geometría de bellow origina nuevos conceptos de disposición de las pastillas de getter así como la excentricidad de los tubos, generan un espacio libre en las tapas que se aprovechará para la nueva ubicación del getter, de manera que se solventen los problemas encontrados en el estado de la técnica con las disposiciones anteriores.

Conocidas las necesidades en cuanto a la cantidad de materia de getter para tubos de 4 m. de longitud y una vida media de 25 años de planta, si esta cantidad se reparte entre los dos extremos del tubo, ya no es necesario recurrir a su disposición en una parte exterior del tubo receptor, ni se requerirían geometrías toroidales en ambos extremos. De esta forma se puede optimizar un espacio que de otra forma se perdería al no utilizar más que un lado del tubo receptor para ubicarlos.

Con respecto a la geometría, el sistema de getters de la invención se forma a base de pastillas estándar sin necesidad de hacer una fabricación particular para este desarrollo que se van a adherir a la parte baja de las tapas, en ese espacio que queda debido a la excentricidad, evitando el tener que disponer de una vaina y una malla protectora en la que se albergan las pastillas.

Además, de esta manera se mantiene una simetría en el tubo puesto que ambos extremos del tubo quedan idénticos, suponiendo esta simetría una ventaja térmica y de fabricación, gracias a la unificación de componentes.

También se logra una optimización del tubo, utilizando el hueco de la tapa que se crea debido a la excentricidad existente entre el tubo metálico interno y el tubo de vidrio externo.

Esta nueva disposición también implica que si se quiere aumentar la cantidad de getter, no se requiere más que aumentar el número de pastillas que se adhieren a la tapa, pues en ese sentido hay espacio suficiente, y se evita el tener que aumentar el diámetro del tubo de vidrio para añadir más pastillas, con la ventaja añadida de que el presente desarrollo admite pastillas de cualquier geometría.

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Estado de la técnica Solel Solar System

Figura 2. Estado de la técnica Solel Solar System LTD (IL153872 A)

Figura 3: Estado de la técnica Schott (US 2007034204 A1)

Figura 4: Excentricidad de los tubos de la invención

Figura 5: Perspectiva interior del extremo del tubo

Figura 6: Perspectiva exterior del extremo del tubo

Figuras 7-9: Diseños alternativos de los extremos del tubo

Las referencias que en las figuras aparecen representan:

(1) Getter no evaporable

(2) Tubo exterior de vidrio

(3) Tubo interior metálico

(4) Dilatador o elemento compensador de expansión o bellow

(5) Nervios

(6) Zonas de espesor variable

(7) Zona espejada

(8) Tapa del tubo colector solar

Realización preferente de la invención

Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir la nueva disposición de getter no evaporable para tubo colector solar, según una serie de realizaciones preferentes.

Para lograr una mejor comprensión de la problemática existente en la actualidad, se muestran en las figuras 1-3 distintos diseños del estado de la técnica (las referencias de dichas figuras no se corresponden con las originales, se han unificado para mejor comprensión del documento).

La figura 1 representa una solución utilizada por la empresa Solel Solar Systems Ltd y que implica el tener el getter no evaporable (1) instalado en el espacio vacío que queda entre el tubo de vidrio (2) y el tubo metálico (3). La figura 2 muestra otra solución de la misma empresa, Solel Solar Systems Ltd, situando en este caso el getter (1 ) en un dispositivo de sujeción de las pastillas, el cual se apoya sobre dos soportes sobre el tubo metálico (3) y recorre parte del tubo en sentido longitudinal.

En la figura 3 se muestra el tubo ideado por Schott. En este se sitúa el getter (1) en uno de los dos extremos, metiendo las pastillas en una malla de sujeción en forma de anillo.

En cuanto a la invención que aquí se reivindica se caracteriza, entre otros aspectos, por la excentricidad existente entre el tubo metálico (3) y el tubo de vidrio (2), tal y como se observa en las figuras 4 a 6.

En las figuras 4 y 6 se observa la excentricidad comentada así como se aprecia, en el caso de la figura 4, la zona del tubo de vidrio (2) que se espeja (7), para mayor captación de la radiación solar.

En la figura 5 además de la excentricidad entre tubos (2, 3) se muestran una serie de nervios (5) radiales y equidistantes con los que se fabricarían las tapas del tubo colector para aumentar su rigidez. El tubo de vidrio (2) es de diámetro mayor al de los tubos comerciales actuales y está parcialmente espejado y situado de manera excéntrica respecto al tubo metálico, además tiene un coeficiente de dilatación diferente a este último, que normalmente se fabrica en acero (3). Por tanto, el elemento compensador de dilataciones (bellow) (4) deberá permitir, ante la nueva carga térmica definida anteriormente (descripción de la invención, punto 3) la deformación axial relativa entre ambos tubos (2, 3), a la vez que anula los desplazamientos relativos entre el tubo de metálico (3) y el de vidrio (2).

Otra forma de aumentar la rigidez de las tapas sería fabricar estas con espesor variable dependiendo de la zona de la tapa de que se trate.

Incluso se pueden combinar ambas soluciones para asegurar una rigidez completa del sistema.

En las figuras 7-9 se muestran tres diferentes soluciones para la invención reivindicada.

En el caso de la figura 7 se representan dos vistas, alzado y sección por A, para una configuración en la que la tapa (8) tiene espesor constante pero se le han añadido una serie de nervios (5) radiales. En la tapa (8), donde hay mayor espacio debido al mayor diámetro del tubo de vidrio y a la excentricidad de los tubos (2, 3), se han pegado las pastillas de getter (1) las cuales, gracias a este ventajoso método de colocación, admiten cualquier tipo de geometría y no requieren ningún elemento adicional de sujeción.

En la figura 8 el diseño es muy similar, con tapa (8) de espesor constante y nervios (5) radiales, aunque en este caso los nervios (5) cambian su geometría ligeramente y se les proporciona espesor variable, de manera que sean más gruesos por un extremo que por el otro. En el caso de la realización preferente es más fina la zona que está más cerca del centro, optimizando así la geometría de la tapa y minimizando el aporte de material. En cuanto a las pastillas de getter (1), al igual que en el caso anterior, pueden tener cualquier geometría pues se adhieren a la tapa en los huecos entre nervios (5), en la zona más ancha debida a la excentricidad de los tubos.

En la figura 9 el diseño consiste en realizar la tapa (8) de espesor variable (6) según las zonas que requieran mayor rigidez y adherir las pastillas de getter (1) a la tapa (8). Las pastillas (1) pueden tener cualquier geometría aunque en la figura 9 se han representado todas ovaladas.

Aunque no esté representado en ninguna figura, se podría contar con otro diseño en el que la tapa (8) tuviese espesor variable (6) y además nervios (5) y las pastillas de getter (1) se pegarían en los huecos.

Esta nueva disposición de getter no evaporable está diseñado especialmente para su aplicación en tubos de vacío receptores de energía solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.