OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un módulo de un colector solar destinado a concentrar la energía solar en un área reducida, calentando un fluido de transferencia de calor que fluye por un receptor. El módulo comprende un reflector parabólico espejado soportado por unos brazos soporte y una celosía.

El módulo de colector solar está destinado a vincularse a otros módulos creando una fila, donde un mecanismo de accionamiento genera un movimiento de rotación en uno de los módulos que se trasmite al siguiente.

Más en particular, la invención trata de un colector solar con una configuración que asegure que la estructura de celosía soporte las cargas a las que se ven sometidos los módulos en la fila y consiga mantener la posición de inclinación óptima de cada uno de ellos, dándole suficiente rigidez al conjunto para minimizar las deformaciones o desviaciones y tener así el rendimiento óptico necesario.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Son conocidos en el estado de la técnica captadores solares de concentración térmica como los colectores cilindro parabólicos, que gracias a la concentración de la energía solar en un área reducida calientan un fluido de transferencia de calor. Normalmente el fluido caliente es usado para la generación de una corriente de vapor que mueve una turbina con el fin de generar energía eléctrica. Cuentan además con un sistema de seguimiento al sol en un solo eje, acimutal, que les permite orientarse siguiendo el movimiento del sol para optimizar su rendimiento. El objeto de la presente invención se centra en el módulo, sin entrar a reivindicar el seguidor solar al que se puede acoplar.

El colector solar cilindro-parabólico es una tecnología que consiste en disponer de grandes superficies espejadas, conformadas en forma cilindro-parabólica, cuya misión es la de concentrar la energía solar en el foco de la parábola, donde se coloca un receptor en forma de tubo por el que circula un fluido. Cada módulo incluye habitualmente un reflector dotado de una pluralidad de superficies espejadas, soportado por un sistema de malla, estructura o celosía en el lado convexo del reflector cuya misión es soportar y aportar rigidez al conjunto de elementos que componen cada módulo.

Las agrupaciones de colectores pueden ser bastante grandes, abarcando varios kilómetros cuadrados e incluyendo miles de módulos colectores. Los módulos colectores se conectan entre sí formando un lazo de colectores o filas. Los módulos de colectores están soportados en los extremos de la celosía por pilares fijos en una disposición lineal, que los sostienen y permiten su giro. A la altura de los pilares fijos se realiza la unión con el siguiente módulo.

Así, cuando el colector gira provoca el giro en el siguiente modulo y así sucesivamente. Pero se pierde cierta cantidad de rotación por la acumulación de momento a lo largo de cada semicolector, un medio colector a cada lado del mecanismo de accionamiento y, además, el viento introduce fuerzas de arrastre y elevación en las superficies de los espejos, y un momento de rotación importante, de modo que se cuenta con distintos momentos de rotación dependiendo del ángulo de inclinación del colector y de ataque del viento que generan deformaciones en la celosía que pueden desplazar su inclinación óptima.

Por ejemplo, son conocidos en el estado de la técnica el documento de patente WO2011070180 cuyo objetivo es el de mejorar las estructuras de celosía y hacerlas más robustas. La estructura es asimétrica, con unas barras más resistentes que otras para cumplir las condiciones asimétricas de carga y la conexión de las barras a los nodos, se instalan unas aletas de sección rectangular que facilitan la conexión y hacen más resistente la estructura.

El problema asociado a los módulos de colectores solares conocidos en el estado de la técnica es que la torsión debida a la fuerza del viento se acumula desde el módulo extremo hasta el pegado al mecanismo de accionamiento. Cada módulo absorbe la torsión adicional del módulo contiguo más exterior y el mecanismo de accionamiento debe reaccionar a toda la carga acumulada de la fila. Cuando el mecanismo de accionamiento no logra resistir y vencer el par resultante de la carga del viento, los módulos se desvían del apunte óptimo al sol, lo que provoca que su rendimiento de captación de energía se degrade significativamente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención trata de solucionar algunos de los problemas mencionados en el estado de la técnica.

Más concretamente, la presente invención se refiere a un módulo de colector solar cilindro-parabólico, que comprende un reflector parabólico dotado de una superficie espejada cóncava y un eje de simetría, unos brazos soporte paralelos que soportan el reflector que finaliza en unas extremidades y una celosía central e inferior que sostiene los brazos soporte donde el módulo comprende adicionalmente unos alerones vinculados a las extremidades de los brazos de soporte.

Gracias a la incorporación de los alerones, la celosía y los brazos de soporte consiguen mejorar la respuesta del colector ante la tensión a la que se ve sometida el módulo de colector cilindroparabólico, siendo principalmente las cargas a las que se ve sometido el módulo del colector el peso propio y el viento. Mediante la disposición de los alerones se soportan las combinaciones de carga de forma segura, dándole suficiente rigidez al conjunto para minimizar las deformaciones en distintas posiciones y tener así el rendimiento óptico necesario.

Como se ha mencionado, el viento introduce fuerzas de arrastre y elevación en la superficie espejada del módulo de colector parabólico, y un momento de rotación importante que varía en función de las orientaciones o posiciones del colector, ya que este puede tener opción de rotación respecto de unos pilares fijos a los que esté acoplado. De manera que se cuenta con distintos momentos de rotación dependiendo del ángulo de inclinación del colector y del ataque del viento, que debe tenerse en consideración en el diseño de los colectores.

El módulo de colector solar cilindro parabólico suele estar destinado a vincularse a otros módulos y girar alrededor de un eje longitudinal para seguir la trayectoria del sol. El movimiento de giro puede ser provocado por un mecanismo de accionamiento vinculado a al menos un módulo. Por cada 10 módulos suele haber un mecanismo de accionamiento. Así, la torsión debida a la fuerza del viento se acumula en los módulos, de forma que cada módulo absorbe la torsión adicional del módulo contiguo más exterior y el mecanismo de accionamiento debe reaccionar a toda la carga acumulada de la fila. Esto implica que una carga de torsión masiva pasa a través del primer módulo al mecanismo de accionamiento.

Gracias a la disposición del alerón, se consigue aumentar la carga del viento en una determinada zona del colector compensando las cargas de viento en el lado contrario, reduciendo así la carga y momento neto sobre el colector. Así se consigue reducir el momento torsor que provoca el viento incidente sobre el colector para diferentes ángulos de inclinación del colector.

La característica esencial del elemento es que proporciona un perfil que se expone al viento cuando la superficie del reflector del lado opuesto del eje de rotación hace lo mismo. Debido a que el momento es función de la distancia al eje, así como de la magnitud de la fuerza aplicada, se necesitaría menos material para la construcción de los alerones cuanto mayor sea su distancia al eje.

El borde sobre el que impacta en primer lugar el viento, se comporta aerodinámicamente del mismo modo que el borde delantero de un ala. Las líneas de flujo del viento se cortan abruptamente siguiendo dos caminos en el borde, lo que obliga al aire a moverse hacia arriba del reflector, a lo largo de la superficie espejada, o hacia abajo, debajo y alrededor del lado convexo del reflector.

La existencia de los momentos máximos negativos y positivos es una de las consideraciones más importantes para el diseño de las estructuras cilindro parabólicas puesto que el momento es acumulativo a lo largo de una fila. Esto implica que cualquier mecanismo o elemento que mitigue los momentos inducidos por el viento tiene el potencial de reducir los requisitos de diseño de muchos componentes en todo el conjunto, lo que da como resultado menores costos de manipulación y materiales.

La ventaja de la invención resulta más evidente a medida que cambia el ángulo de inclinación del módulo de colector, de modo que una de las porciones espejadas del reflector presenta un perfil a barlovento mayor mientras que la otra comienza a disminuir.

Por ejemplo, en el caso de ángulos de inclinación o ataque de 105°-120° y 210°, cuando el viento incide sobre la superficie convexa del reflector el alerón capta el flujo paralelo a las superficies produciendo un momento de signo contrario en los extremos de la parábola. Cuando el viento incide por la parte delantera del colector, con ángulos de inclinación o ataque de 45-60°, los alerones intervienen evitando el levantamiento del colector de las superficies inferiores. El coeficiente de momento para alguno de los casos relevantes en los que es predominante la inercia del flujo, 120°, 210°, se reduce del orden de la mitad gracias a los alerones.

Concretamente, la superficie espejada en su sección transversal, perpendicular a la dirección en la que se extienden los brazos soporte, tiene forma de parábola con un foco y el eje de simetría. Los brazos son paralelos y se distribuyen en un eje longitudinal ortogonal a la sección transversal de la superficie espejada. Coaxial al foco de la parábola se puede posicionar un receptor cilindrico destinado a alojar un fluido. Vinculadas al receptor el módulo comprende unas pilastras que se extienden desde la celosía de modo que sujetan el receptor.

El receptor puede estar constituido por dos tubos concéntricos entre los que se crea vacío con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. Por el tubo interior, normalmente metálico, circula el fluido y es el encargado de absorber el calor y transmitirlo al fluido caloportador que circula por su interior. Este fluido es habitualmente aceite, aunque puede ser adicionalmente agua, de manera que el vapor se genera directamente en el interior del propio tubo absorbedor, en lo que se denomina sistemas de generación directa de vapor (GDV).

Preferentemente, los alerones pueden disponer de un tramo intermedio paralelo al eje de simetría. Adicionalmente, debido a que existe un amplio rango de ángulos de inclinación del módulo de colector en los que se generan momentos diferentes, podría resultar ventajoso introducir varios alerones adicionales para poder contrarrestar la carga en varias posiciones de la celosía. Adicionalmente, los alerones pueden ser planos o ligeramente curvados. Debido a consideraciones de durabilidad y ya que estas superficies se usan como un miembro estructural adicional, los alerones son de un material preferiblemente metálico, pudiendo fabricarse en otro tipo de materiales

El módulo puede comprender unas piezas retenedoras que vinculan el alerón a los brazos soporte, así retienen el alerón y evitan que este se desplace de su posición predeterminada respecto a los brazos soporte por la carga del viento. El brazo soporte puede estar dotado de al menos una viga superior cuadrangular, definida por una cara interior enfrentada al reflector, y el alerón puede comprender un extremo superior vinculado a la cara interior. El alerón puede comprender un extremo inferior que comprende un primer sector perpendicular al tramo intermedio y un segundo sector vinculado al primer sector e inclinado respecto de este que se extiende hacia la porción intermedia. Así se mejora la rigidez del alerón, la inercia es mayor y se evita la vibración del alerón.

La celosía puede ser una malla estructural tridimensional que en una realización preferente de la invención estaría constituida por un conjunto de formas estructurales primarias o pequeños largueros, separadas entre sí a lo largo del eje longitudinal de la malla estructural, incluyendo cada forma estructural primaria un conjunto de miembros de malla dispuestos en una forma poligonal, y en el que la malla estructural tridimensional también incluye un conjunto de miembros de malla axiales que unen las esquinas de las formas estructurales primarias adyacentes, de manera que los miembros de malla axiales forman trayectorias helicoidales para la transmisión del par desde un extremo longitudinal de la malla estructural al otro.

El alerón puede comprender unas primeras cavidades destinadas a alojar unos elementos de fijación que fijan el alerón a los brazos soporte. Estos elementos de fijación pueden ser preferentemente remaches. Los alerones pueden estar formados por varias láminas metálicas unidas entre sí asimismo mediante unos remaches. El número láminas puede ser el doble al número de brazos soporte. Así si hay cinco brazos puede haber 10 láminas, preferentemente unidas por cada dos y estando cada lamina del par vinculada a un brazo soporte. Esta unión puede realizarse mediante una placa vinculada a dos de las láminas a la que se le aplican unos remaches de modo que los alerones pueden tener unos terceros taladros y alojar unos medios de unión como roblones y unir las láminas entre ellas.

La celosía puede comprender una cara frontal y una cara trasera opuestas entre sí, encontrándose sobre dichas caras correspondientes unas tapas que están dotadas de dos patas y un cuerpo en las que las patas forman un ángulo entre ellas de 120° y cada pata forma un ángulo con el cuerpo de 120° que dan rigidez a la celosía. La forma de las tapas mejora la rigidez a la torsión, mejorándose la óptica del colector. Como se ha visto la carga de torsión es la carga más importante y que más deforma al colector, por ello un diseño óptimo desde el punto de vista de este esfuerzo mejora el rendimiento del colector y baja sus costes Las patas pueden comprender al menos una segunda cavidad que absorbe las deformaciones de las patas. Las tapas pueden comprender unos primeros taladros configurados para vincularse a otra tapa de otro módulo.

Como se ha mencionado a lo largo de la descripción de la invención, los módulos pueden estar destinados a unirse a al menos otro módulo y formar filas o lazos que rotan simultáneamente. Así, las tapas pueden vincularse a un eje de trasmisión que esta a su vez vinculado a la tapa de otro modulo, de modo que el movimiento de torsión se transmite entre módulos. Abrazando a este eje se pueden disponer de unos cojinetes que pueden servir como apoyo para el eje de rotación del colector cilindroparabólico. Cuentan con un elemento o cama sobre la que se apoya el eje longitudinal la cual está recubierta por una capa de plástico que disminuye el coeficiente de rozamiento entre el eje y el cojinete, se degrada menos que otro tipo de materiales, y no cuenta con el problema de corrosión que tienen los metales. Los cojinetes pueden estar a su vez abrazados por una abrazadera y esta, estar vinculada a un pilar fijo, de modo que los módulos quedas soportados y con posibilidad de giro. El sector intermedio del alerón puede tener forma cuadrangular de modo que la fabricación del alerón es sencilla.

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 módulo de colector solar.

Figura 2.- Muestra una vista en alzado de un módulo de colector solar.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de un alerón unido a un brazo soporte. Figura 4 Muestra un gráfico de las curvas de los coeficientes de momento para varios ángulos de inclinación del módulo en relación al ángulo de ataque del viento.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un módulo de colector solar cilindro parabólico, según la presente invención. El módulo está dotado de un reflector (1) parabólico dotado de una superficie espejada cóncava y un eje de simetría, de dos brazos soporte (2) paralelos que soportan el reflector (1) y que finalizan en unas extremidades y una celosía (3) central e inferior que sostiene los brazos soporte (2). El módulo comprende adicionalmente unos alerones (4) vinculados a las extremidades de los brazos de soporte (2).

Se aprecia asimismo un receptor (17) cilindrico destinado a alojar un fluido, sujetado por unas pilastras (18) que se extienden desde la celosía (3) y vinculadas al receptor (17) de modo que lo sostienen, donde las pilastras (18) son paralelas al eje de simetría de la parábola. En la realización preferente el reflector (1) está dividido en dos porciones dejando un hueco en un sentido longitudinal y las pilastras (18) se extienden desde la celosía (3) atravesando el reflector (1).

Adicionalmente la celosía (3) comprende una cara frontal y una cara trasera opuestas entre sí y dotadas de una tapa (13). El módulo está destinado a acoplarse a al menos otro módulo y formar una fila o lazo de módulos que giran preferiblemente simultáneamente alrededor de un mismo eje longitudinal y están acoplados a pilares fijos en las zonas de unión. La unión entre los módulos se realiza preferentemente mediante las tapas (13) de dos módulos.

La figura 2 muestra una vista frontal del módulo, según la presente invención, donde se aprecia los dos brazos soporte (2) unidos a la celosía (3). Los dos brazos soporte (2) comprenden una viga superior (19) y una viga inferior (20), vinculadas entre sí por unas vigas intermedias (21). Los alerones (4) están vinculados a los brazos soporte (2) en las extremidades de estos, más concretamente a la viga superior (19). Se aprecia asimismo una pieza retenedora (6) vinculada a los alerones (4) que se extiende desde la viga inferior (20) del brazo soporte (2). El reflector (1) está unido a los brazos mediante unos elementos de unión (24). Los alerones (4) disponen de un tramo intermedio (5) paralelo al eje de simetría del reflector (1).

En la vista frontal se puede apreciar que la sección trasversal de la superficie espejada tiene forma de parábola con su eje de simetría y su foco, en el que se coloca el receptor (17). Se aprecia una de las tapas (13) vinculada a la cara frontal de la celosía (3), dotada de dos patas (14) y un cuerpo (15) donde las patas (14) comprenden una segunda cavidad (16). Las tapas (13) tienen unos primeros taladros (22) configurados para vincularse a los primeros taladros (22) de otra tapa (13) de otro módulo, mediante por ejemplo unos tornillos. Se aprecia asimismo uno segundos taladros (23) configurado para centrar y acoplar un eje de rotación.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva de un alerón (4) unido al brazo soporte (2), según la presente invención. El brazo soporte (2) comprende la viga superior (19) que es una viga cuadrangular, definida por una cara interior (8) enfrentada al reflector

(I), donde el alerón (4) comprende un extremo superior (9) vinculado a la cara interior (8). Asimismo, comprende un extremo inferior (10) que comprende un primer sector

(I I) perpendicular al tramo intermedio (5) y un segundo sector (12) vinculado al primer sector (11) e inclinado respecto de este que se extiende hacia el tramo intermedio (5). Los alerones (4) comprende primeras cavidades destinadas a alojar unos elementos de fijación (25) del tipo remache para unirse tanto al brazo soporte (2) como a la pieza retenedora (6). La pieza retenedora (6) está asimismo unida al brazo soporte (2), concretamente a la viga inferior (20), por medio de unos elementos de fijación (25) del tipo remache.

La figura 4 muestra un gráfico de las curvas de los coeficientes de momento para varios ángulos de inclinación del módulo en función al ángulo de ataque del viento, donde en el eje de las ordenadas Y se indican el coeficiente del momento y en el eje de las abscisas X se indican los ángulos. En el gráfico se comparan los momentos resultantes en una configuración sin alerones (4), señalado con rombos y con una línea continua, con la configuración de la presente invención, configuración con alerón, señalado con un cuadrado.

El máximo valor de momento positivo ocurre en un rango de aproximadamente 105°- 120°. Este momento positivo máximo resultante se produce porque la superficie espejada del reflector (1) presenta un gran perfil vertical a la trayectoria del viento. El máximo valor de momento negativo ocurre en un rango de ángulo de paso de 45° a 60°, que se corresponde con la situación en la que el viento incide en la superficie cóncava del reflector (1), opuesta a la superficie convexa. La posición de seguridad en la realización mostrada es 210°, pudiendo variar la posición de seguridad en otras realizaciones, por lo que cuando se da el viento a velocidad máxima el colector está con ese ángulo, por ello el coeficiente es asimismo muy alto comparado con el resto de posiciones. Hay que señalar que si se cambia la posición de seguridad el coeficiente en este ángulo cambiaría.

Al introducir los alerones (4), el coeficiente de momento para los casos relevantes mencionados, en los que es predominante la inercia del flujo 120°, 210° se reduce del orden de la mitad respecto a las configuraciones que no disponen de alerones (4) como se aprecia en el gráfico. En el resto de los ángulos se consigue una reducción del valor del coeficiente de momento.