MULTIPLES VELOS MÓVILES

ESTADO DE LA TÉCNICA

La presente solicitud se refiere a un sistema de producción solar de electricidad, específicamente, a un mecanismo de concentración y recepción de la radiación solar que permite mejorar sustancialmente tanto la escala como la eficiencia en la producción de calor y electricidad. El sistema está orientado al segmento de producción industrial para su inyección a redes eléctricas o a la alimentación de consumidores aislados de la red.

A partir de la radiación solar, se han desarrollado comercialmente tres formas de producción de electricidad, una directa, a través de células fotovoltaicas y las otras dos, a través de mecanismos térmicos y mecánicos. La conversión termo-mecánica se realiza a través de turbinas o motores que alimentan a un generador.

Las tecnologías fotovoltaicas utilizan inversores para convertir la corriente continua entregada por las células solares a la corriente alterna usada en la red. No existen aplicaciones de concentración de campo solar para los sistemas fotovoltaicos sólo se utilizan lentes u otros tipos de ópticas para células de junturas múltiples que permiten concentrar la radiación de una vecindad en una pequeña área donde se ubican las células fotovoltaicas, que generalmente son mucho más eficientes que las de silicio, aunque bastante más caras. Dado el pequeño tamaño de estas células con estos sistemas se logran niveles de concentración del orden de mil veces la radiación solar directa. Actualmente, esta tecnología de células de junturas múltiples está poco desarrollada en el mercado pero ha realizado avances notables, de modo que, los especialistas proyectan que en pocos años se nivelará en costos con las otras formas de generación fotovoltaicas. Las implementaciones ópticas de concentración alrededor del área de células, por el momento, restringe mucho los ángulos de incidencia de la radiación, por lo que las aplicaciones realizadas se utilizan sólo con la radiación directa del sol. Sin embargo, como las aplicaciones a escala comercial son muy incipientes, aún tienen un amplio potencial de desarrollo, por lo que se espera que esta limitación se vaya relajando progresivamente.

Las tecnologías termo-solares por su lado, producen en corriente alterna y consisten en un sistema colector, que concentra la radiación en un receptor para convertirla en calor, calentando un fluido térmico, que es transferido a una planta de generación de vapor, con el cual se produce electricidad, mediante un grupo turbina-generador convencional. En algunos casos se calienta agua en el receptor para producir el vapor para la unidad de potencia en forma directa. Asimismo, se han desarrollado tecnologías de almacenamiento, algunas ya probadas a escala comercial y otras en menor escala, que permiten generar electricidad en la noche cuando no se cuenta con radiación solar.

El mecanismo de almacenamiento con mayor desarrollo consiste en instalar dos estanques para el almacenamiento de sales minerales fundidas, uno con sales calientes y el otro estanque se usa para almacenar las sales que se han enfriado en el proceso de generación de electricidad. El ciclo parte en el día cuando estas sales frías se envían al receptor para ser calentadas y enviadas al estanque de sales calientes. En la noche, el ciclo se completa cuando las sales calientes se enfrían al ser usadas para alimentar con calor el circuito de potencia. Cuando el receptor no usa sales fundidas en forma directa es necesario un intercambiador de calor para transferir el calor desde el otro fluido de transferencia que se esté utilizando en el receptor. Posibles realizaciones de la tecnología desarrollada y expuesta en esta innovación pueden incorporar sistemas de almacenamiento como el indicado pero es factible incorporar otras opciones o sistemas como los actualmente en desarrollo e investigación basados en termoclinas, almacenamiento en seco u otros en estudio.

En la actualidad, en el mercado global, existen en funcionamiento, básicamente, 4 tecnologías o tipos de plantas generadoras de concentración termo-solar: las de Torre Central, las de Colectores Cilindro Parabólicas , las de Concentradores Lineales Fresnel y las de Disco Stirling. Estas tecnologías se han desarrollado en sitios planos preferentemente con sistemas colectores con alineados de norte a sur.

En los sistemas de Torre Central un receptor en la cúspide de su torre recibe la radiación solar proveniente de múltiples heliostatos, distribuidos en el campo solar, que orientan sus espejos o superficies reflectantes según la posición del sol para concentrar esa radiación en dicho receptor. El diseño requiere considerar significativos espacios sin utilizar para evitar bloqueos y sombras que reducen la eficiencia del sistema, para lo que es necesario distanciar los heliostatos en el campo solar. El receptor transmite el calor a través de un fluido que se calienta a altas temperaturas hasta el generador de vapor. En algunos sistemas, el receptor calienta agua para producir directamente el vapor que acciona el grupo turbina-generador.

La tecnología Cilindro Parabólica consiste en líneas de superficies reflectoras de sección transversal parabólica, que concentran la radiación solar en un tubo receptor, ubicado en la línea focal de esas superficies. Por el tubo receptor, de cada línea, circula un fluido térmico, que conduce el calor absorbido, hacia un tubo matriz que lo lleva a un intercambiador que genera vapor para mover una turbina que acciona mecánicamente un generador convencional.

La tecnología de Concentradores Lineales Fresnel, como su nombre lo indica, concentra la radiación solar en un tubo receptor lineal situado a cierta altura, que transfiere el calor a un fluido térmico con la radiación recibida desde abajo, desde un conjunto de espejos lineales planos y paralelos al tubo receptor. Los espejos deben rotar en torno de un eje longitudinal para reflejar los rayos del sol, en todo momento, en dirección al tubo receptor, según su posición individual y la dirección de la radiación incidente. Por el tubo puede circular algún fluido de transferencia que luego será conducido a un intercambiador de calor para producir vapor, en cuyo caso se habla de diseño para generación indirecta, o producir vapor saturado o sobrecalentado, directamente haciendo pasar agua por el tubo receptor, que es la opción más usada. Una planta puede consistir en varias líneas de producción en paralelo, asemejándose a la tecnología cilindro parabólica en el sentido de disponer en el campo solar múltiples líneas paralelas de espejos reflectores junto a tubos receptores de gran longitud, para lograr aumentar la escala de producción. En ambos casos, se requiere forzar la circulación del fluido de transferencia de calor a través de múltiples líneas en todo el campo solar, lo cual pone un límite al tamaño máximo de estas plantas ya que la ampliación del campo solar trae dificultades en el transporte del fluido térmico utilizado.

Las plantas tipo Stirling constan de un disco reflector o espejo parabólico que concentra la radiación en su foco, para producir el calor que se usa para accionar un grupo motor de combustión externa (Stirling) y un generador. Como se aprecia, todas estas plantas de alguna manera, con mayor o menor éxito, concentran la radiación solar para aumentar la escala de la energía recibida y maximizar la producción de su mecanismo de generación de electricidad. En general, se puede señalar que estos sistemas de generación, aunque presentan importantes ventajas relativas a emisiones, en la situación actual, tienen eficiencias relativamente bajas, lo que lleva a costos medios de producción de electricidad, significativamente, superiores a los de tecnologías y recursos convencionales como plantas hidroeléctricas o de combustibles fósiles como carbón, gas natural o de la opción solar fotovoltaica. El principal problema de la generación basada en el carbón es su alta emisión de C02, elemento causante del calentamiento global, por lo que la reducción de las emisiones de C02 es un problema que enfrenta la humanidad en su conjunto. Urge entonces mejorar la eficiencia y difusión de las energías alternativas libres de estas emisiones. Las ventajas que presenta el sistema aquí expuesto son una mejora significativa de la eficiencia y un aumento de la escala de producción de la generación solar, de modo que, con esta tecnología es factible sustituir considerables volúmenes de generación de carbón para reducir las emisiones de C02 y contribuir significativamente a la solución del problema de calentamiento global.

El mecanismo de concentración desarrollado en esta invención se compara con cada una de las tecnologías de concentración termo-solar existentes en el mercado, según lo siguiente:

Es similar a la tecnología de torre central, en cuanto se trata de un receptor dispuesto a gran altura, donde se concentra la radiación desde un campo solar en que están instaladas estructuras que reúnen grupos de espejos con un sistema de seguimiento del sol para llevar esa radiación, tanto a través del ciclo diario como en su variación estacional, en forma exacta hacia el colector. En ambas tecnologías no se requiere impulsar fluidos de transferencia de calor a través del campo solar, ya que, éste debe fluir entre el receptor, que está en altura, hasta el sistema de almacenamiento, si existe, y hacia la planta de producción de energía, dejando libre de esa función al campo solar. Por otra parte, difiere del sistema de torre central donde el receptor está excesivamente concentrado, dificultando la función de los colectores. Con este nuevo sistema, se facilita la transferencia de la radiación hacia el receptor, que también está situado a gran altura pero al prolongarse longitudinalmente en el campo solar, reduce la posibilidad de bloqueos y sombreado, y la necesidad de mantener posiciones angulares muy abiertas en los colectores, permitiendo mejorar la eficiencia y escala de la captación de la energía.

Respecto a la tecnología cilindro parabólica, se asemeja en cuanto se utiliza la forma de una superficie curva para concentrar la energía en la zona de recepción. En la cilindro parabólica la radiación se concentra en el foco de la superficie parabólica del colector y el seguimiento del sol se realiza rotando esa superficie en forma solidaria con el tubo receptor, no siendo necesario ni posible cambiar de forma del colector. En el sistema de la invención, se puede cambiar tanto la posición del sistema receptor como la forma de la superficie (que corresponde a una curva catenaria) reflectante de cada colector, lo que otorga grados de libertad adicionales para centrar la radiación en la zona del receptor, evitando mayores bloqueos o sombras entre colectores. Las diferencias más importantes entre ambas tecnologías son la mayor escala de la captación del sistema de la invención, y el hecho de usar un sistema receptor independiente y fuera del campo solar, que permite reducir considerablemente, el costo del campo solar. Asimismo, el receptor resultante es de mayor escala y reduce los inconvenientes de un receptor extremadamente distribuido que aumenta los problemas de conducción y de disipación de calor como sucede en la cilindro parabólica, diseminada en todo el campo solar, todo lo cual limita el tamaño o escala de esa tecnología.

Adicionalmente, en relación al resto de las tecnologías, el sistema de esta invención en su aplicación termo-solar permite con mayor facilidad usar sales fundidas como fluido térmico así como usar la opción de generación directa de vapor. Para ambas opciones se facilita también la incorporación de almacenamiento térmico.

Otra ventaja importante de esta invención, frente al resto de las tecnologías conocidas, es la posibilidad de usar eficientemente terrenos con importantes pendientes y topografía variable con distintas orientaciones. La pendiente facilita el establecimiento de velos colectores a diferentes alturas, en forma ascendente, hacia lo alto de las colinas, sin que se obstruyan, uno detrás del otro. No se requiere que se mantengan en línea como en la Cilindro Parabólicas o en la Lineal Fresnel ya que en este caso con un receptor extendido se generan posibilidades de orientación de los velos hacia distintas porciones del receptor evitando problemas de bloqueos o de sombras con las unidades vecinas.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 presenta en perspectiva un grupo de colectores con una vista ampliada de una Unidad colectora o Velo Móvil.

La Figura 2 presenta una segunda realización de un velo colector con 4 velos o superficies colectoras colgadas de una misma estructura de doble portal, vista de frente.

La Figura 3 muestra el velo colector de la figura 2 visto desde atrás.

La Figura 4 presenta la planta de un velo colector en posición recostada.

La Figura 5 presenta un perfil del velo colector de la figura 4. La Figura 6 en el circulo inferior, presenta un perfil longitudinal de un puente colgante típico para soportar un receptor común en altura. En la parte superior se muestra una panorámica de un campo solar con los velos colectores enfrentando un receptor en altura.

La Figura 7 presenta una estación de mantención y transferencia para maniobras con las cabinas (300) de soporte de las unidades receptoras, correspondiente a un receptor modular con cabinas desplazables. Se muestran 4 cabinas con sus tapas abiertas. Están colgadas del puente colgante que les permite deslizarse hasta sus posiciones de operación.

La Figura 8 muestra una vista más cercana de una cabina y de un tramo del puente, con indicación de sus elementos principales.

La Figura 9 entrega mayores detalles a través de un perfil transversal de una cabina y su ancla de suspensión desde los rieles, mostrando las ruedas (306) para su deslizamiento y traslado por el puente.

La Figura 10 muestra una segunda vista de la cabina, desde el lado derecho.

La Figura 11 muestra un corte transversal del sistema receptor en su versión longitudinal con colector secundario. El tubo receptor (401) está en el centro, bajo la vía, con el colector secundario alrededor del puente.

La Figura 12 muestra el colector secundario y el tubo receptor en una vista tridimensional desde su lado derecho. La Figura 13 muestra una realización de un receptor longitudinal con módulos receptores en la zona exterior de la estructura soportante, la cual puede girar con el puente en el centro, para acercar los módulos receptores a la zona de montaje y recambio (510) en la parte superior del puente. La figura 14 muestra una perfil longitudinal de dos tramos del puente con sus respectivos módulos receptores longitudinales (505). La figura muestra cómo los receptores se unen a un colector circular (508) en cada extremo. En el centro se observa una unión entre dos colectores circulares juntando dos tramos sucesivos. La figura 15 muestra en mayor detalle los módulos receptores de la figura 13, subdivididos en grupos de 6 tubos en línea, seccionando la cubierta transparente por grupo de tubos.

La Figura 16 se muestra una variante al colector de módulos longitudinales de la figura 13, que puede rotar apoyado en la parte superior del puente para montaje y mantención .

La figura 17 muestra una sección del receptor para opción fotovoltaica.

La figura 18 muestra una imagen tridimensional del receptor fotovoltaico presentado en figura 17.

La figura 19 muestra una sección de una disposición del receptor con células fotovoltaicas que permite reducir el rango de variación del ángulo de incidencia a cada célula utilizando una estructura del tipo fractal.

La figura 20 muestra un diagrama de la transferencia escalonada de energía calórica a eléctrica usando varios motores Stirling para distintos rangos de temperatura.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención persigue mejorar el mecanismo de concentración y recepción de la radiación solar para aumentar la escala y la eficiencia ya sea en la producción fotovoltaica, la termo-solar de vapor y electricidad, la de motores Stirling o cualquier combinación de ellas. Se busca así, una reducción significativa de los costos de las inversiones que mejore la competitividad de este tipo de recurso, frente a las plantas convencionales de producción de electricidad. La tecnología consiste en un campo colector solar compuesto de extensas superficies colectoras, que toman la forma de grandes velos reflectantes extendidos (101), que cuelgan de portales de gran altura (103), con un mecanismo de ajuste de su curvatura para concentrar la radiación en la zona de un Puente Receptor Común, también en altura. El campo solar queda así compuesto por múltiples velos móviles, que reflejan la radiación hacia un único Puente Receptor Común en altura, típicamente soportado por una estructura de puentes colgantes, que transfiere la radiación a un sistema de potencia basado ya sea en la tecnología fotovoltaica, en unidades termo-solares, la de motores Stirling o en una combinación de ellas. Opcionalmente, se puede transferir parte del calor a un sistema de almacenamiento térmico para su uso posterior en generación, en los periodos en que no se cuente con radiación solar.

La invención se centra así, en el desarrollo de estructuras y configuraciones, distintas a las conocidas en la industria solar, de los sistemas colector y receptor en busca de mayor tamaño, eficiencia y flexibilidad para adaptarse a diversas topografías y condiciones locales para el desarrollo de los diversos tipos de sistemas solares. En forma complementaria, se han incorporado mecanismos de lavado automático de espejos para evitar pérdidas de eficiencia producto del impacto de la polución o existencia de polvo en suspensión en el campo solar, lo que en muchos lugares llega a ser muy relevante. Se busca aprovechar además, las características topográficas favorables que un determinado emplazamiento pudiese presentar para aumentar la altura y la capacidad de las instalaciones, mejorando con todo ello, tanto la escala de producción como la eficiencia de estos sistemas. En lo posible, se ha optado por estructuras modulares para facilitar su fabricación en serie y reducir sus costos de inversión, de reemplazo y de mantenimiento.

A) DESCRIPCIÓN DEL COLECTOR DE MÚLTIPLES VELOS MÓVILES (SC-MVM).

La unidad básica del colector de velos móviles es una superficie colectora extensa y flexible, colgada como un gran velo (101) y formada por una armadura de cables en red sobre la que se cuelgan muchas filas de espejos planos u otro tipo de reflector que resulte conveniente. Dentro de cada fila, los espejos, con marcos metálicos o sin él, se fijan a barrotes o cables transversales que se tensan desde sus extremos a dos cables consecutivos de la armadura a través de tensores y grilletes. Entre los espejos vecinos se dejan espacios suficientes para que estos no se quiebren o dañen al mover la armadura. Asimismo, los espejos quedan adheridos firmemente sólo en una fijación quedando las otras con flexibilidad suficiente para que estos no sean sometidos a esfuerzos mecánicos, más allá de su resistencia. De este modo, cada velo, o superficie colectora, se forma por adición sucesiva de filas transversales de espejos planos, sostenidas en la armadura de cables longitudinales y transversales en red, que forman una trama plana y flexible que puede alcanzar grandes dimensiones.

Esta estructura permite ajustar la curvatura del velo tensando los cables longitudinales, sin someter a los espejos a esfuerzos insoportables, ya que estos cuelgan a través de uniones plásticas deslizables, con soportes metálicos. Asimismo, los soportes se unen en líneas transversales y se sustentan mediante cables o varillas metálicas flexibles que reciben la tensión, para evitar esfuerzos sobre los espejos producto de su tensado.

La estructura del velo colector se puede usar directamente para generación de electricidad sustituyendo los espejos por paneles fotovoltaicos y agregando los conductores que llevan la electricidad a las subestaciones inversoras a través de ductos adheridos a los cables de la armadura. Como se expone más adelante, tanto la estructura de soporte de los velos colectores como los mecanismos de ajuste de su forma y desplazamiento, permiten establecer grandes superficies de captación solar de gran eficiencia y por tanto más competitivos que las configuraciones existentes. Configuración de los Velos Colectores

Los velos colectores se han configurado como una superficie sin fin (101), similar a una cinta transportadora, que se soporta y desliza a través de rodillos motrices (104), de suspensión y de tensado. Para ello, se unen entre sí los respectivos extremos de cada uno de los cables longitudinales de su armadura. De este modo, el velo se cierra en si mismo en una estructura y superficie continua que puede desplazarse haciendo deslizar los cables longitudinales sobre los rodillos, arrastrando con ellos las diversas líneas de espejos transversales que conforman la superficie reflectante en forma continua. El velo presenta así dos tipos de superficies, una porción expuesta a la radiación solar y una de retorno o no expuesta a esa radiación. Este mecanismo de accionamiento y doble superficie, con un sistema de rodillos motrices (104) ubicados en los portales de suspensión, presenta una serie de ventajas operativas. Entre estas ventajas se cuentan las siguientes:

• Facilidad de montaje y recambio de espejos

Para el montaje de los espejos basta con acercar, mediante el sistema de tracción a través de los rodillos (104), una a una, las diversas líneas transversales del velo hacia la zona de montaje y recambio, la cual generalmente se situará en la zona baja del velo.

• Mantener una superficie de espejos de respaldo en la zona no expuesta a la radiación

La parte inferior del velo, o zona de retorno que queda debajo del área expuesta a la radiación, puede quedar con los cables de armadura descubiertos, sin espejos y servir sólo para continuidad del mecanismo de desplazamiento. Una alternativa es usar esta porción con líneas de espejos adicionales de relevo, montados del mismo modo como en la parte expuesta, lo que equivale a duplicar la superficie de espejos de cada velo, quedando la mitad de relevo para situaciones en que se necesite. Para el relevo bastará con desplazar el área de respaldo hacia la posición superior o expuesta a la radiación. Esta operación permitiría reemplazar la superficie de reflexión, a mitad de jornada, por una superficie de relevo con espejos limpios. • Incorporar paneles fotovoltaicos en una parte del velo

Para situaciones de excedentes de radiación y para las horas en que sea más complejo el enfoque hacia los receptores podría resultar conveniente incorporar paneles fotovoltaicos en una parte del velo. Este mecanismo permite reducir el área del velo destinada al receptor en altura, sin perder la radiación que pudiere desbordar el colector.

• Facilita incorporar el lavado automático de espejos o de paneles fotovoltaicos

El mecanismo de lavado se instala en la parte baja del velo para cubrir simultáneamente una línea transversal completa de espejos o paneles fotovoltaicos. Accionando el sistema de tracción de la cinta, se puede avanzar lavando en forma sucesiva, una a una, esas líneas hasta cubrir los espejos o paneles del velo en su totalidad. Esta operación se puede realizar por las noches o en forma continua y automática durante el día, si fuera necesario, permitiendo mantener una alta eficiencia de reflexión aún en sitios de alta contaminación.

• Mantener ángulos de montaje diferentes para distintos tramos del velo En algunos casos puede ser conveniente contar con un ángulo de montaje del espejo o panel diferente para algunas horas del día. Para estas situaciones, se pueden mantener ángulos de montaje diferentes para distintas zonas del velo y llevarlas a la zona de reflexión en las horas que ello se haga conveniente. Estructuras de Soporte de los Velos Colectores

El velo en su ancho cuelga de un amplio portal de suspensión de gran altura, a través de rodillos soportantes (104) por donde se deslizan los cables longitudinales de su armadura. En su parte inferior, en una posición de baja altura y desplazada horizontalmente desde el portal, se encuentra una estructura independiente y alejada, con un sistema de rodillos en una barra horizontal, que tensa el velo para crear una superficie curva descendente, que permite concentrar la radiación reflejada, en una zona receptora.

El portal de suspensión puede adoptar diversas formas. Para exponer su funcionalidad, en esta presentación se describe un diseño de dos portales paralelos separados e inclinados mutuamente uno hacia el otro, de modo que los vástagos (103) de sus lados respectivos se cruzan a modo de tijera, ambos montados en una base giratoria común (102). El velo (101) se apoya en rodillos (104) que giran apoyados en las dos barras horizontales de los portales y en la barra de tracción y anclaje de la guía inferior (106). El tensado y tendido del velo se modifica abriendo o cerrando los portales con mecanismos hidráulicos que se apoyan en los vástagos laterales de ambos portales. A su turno ambos vástagos laterales de uno de los portales hacen presión sobre los respectivos vástagos del otro, haciéndolo rotar para desplazar las barras horizontales que soportan el velo. Con este mecanismo los portales se pueden llevar desde una posición con su cara activa en posición prácticamente vertical a su posición máxima, en que el velo se encuentra en la posición recostada, más estirada y de menor inclinación. En este recorrido puede ser necesario estirar uno de los portales para lograr la tensión del velo requerida. Entonces, tanto el control de la apertura de los dos barrotes como su ajuste de altura, permite regular el tensado del velo en su movimiento continuo siguiendo la posición del sol durante el día.

Los portales están soportados por una base común que puede girar libremente, de modo que, éstos puedan rotar juntos en torno de su pivote central (105). De este modo, si se desplazan lateralmente los anclajes soportantes en la parte inferior del velo (106), el portal de altura seguirá el movimiento girando la estructura completa hacia la nueva orientación, sin deformar la superficie del velo. Los anclajes de la parte inferior se deslizan a través de guías horizontales circulares (106) cuando se desea hacer girar el velo manteniendo su forma y tensión.

Por su peso y flexibilidad, en su caída el velo toma la forma de catenaria. En la dirección transversal, el velo permanece plenamente desplegado presentando una línea aproximadamente recta. De este modo, ajustando la tensión longitudinal del velo, la orientación y posición de los anclajes y barrotes, se puede cambiar la orientación y forma de la catenaria para que concentre la radiación en la zona del receptor. Lo anterior, en cada momento, a medida que el sol se desplaza en su movimiento aparente sobre el campo solar. Se hace necesario entonces, un mecanismo computacional de seguimiento que haga los ajustes indicados de la tensión y posición de los rodillos soportantes. Un mecanismo adicional incorporado es un grupo de cargas lineales(107) situadas en algunos cables transversales del velo para quebrar su curvatura y diferenciar sectores que aunque individualmente siguen teniendo forma de catenaria en su conjunto difieren de esta forma, lo que puede ser útil como herramienta para centrar la radiación con mayor precisión dentro del área del receptor, en determinados momentos durante el día. De este modo, se forman tramos de catenaria diferenciados, entre esas líneas. Específicamente, estos elementos están constituidos por tubos, dispuestos a lo ancho del velo, que se llenan con algún líquido pesado que se extrae o agrega según se requiera para aumentar o disminuir la carga necesaria en esa línea. Movimiento de los Velos Colectores

El sistema de seguimiento, ajustando la tensión y la posición de los anclajes de cada velo, realiza movimientos en dos ejes o dos tipos de movimientos de los velos colectores: 1) Movimiento de seguimiento horizontal del sol.

Se trata de movimientos tanto de los barrotes como de anclajes, en un plano horizontal, para mantener la cortina de frente al sol, sin alterar la forma de su superficie. Este es un movimiento sincronizado que equivale a un giro de la cortina respecto de un eje vertical. El movimiento es similar al giro de una silla de escritorio .

En este movimiento, el portal superior gira libremente en torno a su base (102) ajustando la orientación en forma obligada siguiendo los movimientos del sistema de anclajes al desplazarse en su guía circular inferior (106). El sistema de seguimiento podría controlar sólo el movimiento de la guía de anclaje inferior, ya que, el superior seguirá los movimientos del primero al producirse un desequilibrio de las fuerzas que le ejercen los cables de ambos lados del velo. Sin embargo, por consideraciones de tener un mayor control del giro de los velos, se recomienda incorporar un mecanismo tipo cremallera circular con accionamiento mediante motores eléctricos para girar la base común del portal de suspensión. 2) Movimiento de ajuste del enfoque y seguimiento del ascenso del sol.

Se trata de movimientos para ajustar la forma de la superficie a la catenaria que permite concentrar la radiación reflejada dentro de la zona del receptor. Este es un movimiento continuo y sincronizado de la apertura y posición de los barrotes del portal de suspensión para ajustar la forma y la inclinación del velo colector, cambiando así su topología, durante el día, a medida que sube el sol, volcándose hacia atrás o hacia adelante, para lograr un ángulo de reflexión que coincida con la zona del receptor. Este movimiento es similar al de una silla de escritorio cuando su morador se echa hacia atrás girando en torno de un eje horizontal, transversal al velo, sin girar en torno de su eje vertical. En aquellos diseños que incorporan cargas lineales variables en ciertas filas del velo colector se podrá realizar un ajuste fino de la forma del velo controlando los pesos de esas cargas.

3) Movimiento de ajuste adicional de la inclinación de las líneas horizontales dentro de cada velo.

Para requerimientos muy precisos del enfoque individual de las líneas horizontales de paneles, se puede incorporar un mecanismo de seguimiento automático del sol, independiente para cada línea. Este puede ser el caso de utilizar los velos para generar directamente con paneles fotovoltaicos que utilicen medios ópticos de concentración de la radiación en células de varias capas, en que el ángulo no debe diferir en más de medio grado respecto de la vertical. Para ello, es necesario anclar cada panel en una base o marco, que puede variar su ángulo respecto a la red de cables. Basta con un ajuste fino, de ángulo pequeño, ya que los dos movimientos previos, de 1) y 2), realizan el seguimiento con bastante buena aproximación.

Distribución de los Velos Colectores en el Campo Solar

En topografías planas o de pendientes uniformes, el receptor longitudinal permite considerar velos colectores iguales, del mismo tamaño, dispuestos en varias filas paralelas, prácticamente uno al lado del otro, frente a uno o a ambos lados del receptor. Con pendientes importantes, prácticamente, no se requiere dejar espacios entre una fila y otra, salvo tener en cuenta que el diseño de los velos colectores considera que estos se pueden alargar y bajar para cubrir los espacios cuando sea necesario. Asimismo, las estructuras soportantes se pueden bajar para evitar bloqueos, en las horas que ello sea posible y conveniente. Dependiendo de la inclinación del sol en algunas horas, algunos colectores no quedan trabajando o lo están en sólo parte de su superficie. Este es el caso, por ejemplo, en receptores lineales desplegados de norte a sur, con laderas a sus dos costados, a primera hora, a la salida del sol, con ángulos de elevación bajos, donde sólo operan los primeros colectores del lado occidente.

En el caso de topografías con inclinación o de alturas variables se requiere un diseño ad hoc para aprovechar las alturas de promontorios y colinas, pudiendo resultar conveniente el uso de diversos tamaños de colectores y romper la disposición de filas y columnas propias de topografías más uniformes. En todo caso, el diseño del colector no se puede realizar en forma independiente del sistema receptor. Se trata entonces de un diseño global de las instalaciones de la planta, con todos sus subsistemas, buscando un diseño óptimo conjunto. Evidentemente, un sitio donde hayan alturas importantes para anclar los cables o estructuras de suspensión del Puente Receptor y asimismo, existan zonas con pendiente donde puedan ser situadas, unas detrás de las otras, muchas filas de colectores, presentará indudables ventajas de eficiencia y de costo de inversiones, resultando en un costo medio final de la energía más competitivo. Protección de los Velos Colectores Ante Peligro de Vientos fuertes

La estructura de portales soportantes descrita permite bajar el velo colector a niveles próximos al suelo en caso de preverse fuertes vientos u otros peligros que pusieren en riesgo la integridad de los espejos y estructuras soportantes.

B) DESCRIPCIÓN DEL PUENTE RECEPTOR COMÚN (PRC) En las tecnologías de concentración de campo solar se busca que el receptor reciba un nivel de radiación bastante superior a la radiación solar directa. Por ello, el receptor debe ofrecer un mecanismo eficiente e intensivo de transformación de energía para facilitar su transporte ya sea a la planta, a las unidades de almacenamiento o a la red de suministro para los consumidores. El Puente Receptor Común de esta invención es compatible con 3 mecanismos de recepción para radiación de alta concentración, a saber: mecanismos basados en procesos termo-solares, fotovoltaicos o electromecánicos.

En la actualidad, en este nivel de alta intensidad y escala sólo existen receptores termo-solares, los que transfieren la radiación recibida, en forma de calor, a un fluido de transferencia que circula por su interior. El receptor está integrado a un circuito hidráulico para alimentar el sistema de potencia y en algunos casos, adicionalmente, a unidades de almacenamiento térmico. El sistema desarrollado en esta invención mejora sustancialmente la eficiencia y escala de los sistemas de recepción termo-solares y adicionalmente, incorpora en el receptor los mecanismos de recepción fotovoltaicos y electromecánicos que limitaban su aplicación comercial a mecanismos de recepción directa no concentrada. En particular, los mecanismos electromecánicos incorporados consisten en motores Stirling que reciben el calor y alimentan generadores sincrónicos, entregando electricidad en corriente alterna. Por su parte, los fotovoltaicos convierten la radiación directamente en electricidad pero deben incorporar inversores para transformar la corriente continua generada, en la corriente alterna compatible con la red de potencia. En la presente invención, se conciben sistemas fotovoltaicos que utilizan tanto el mecanismo de campo de concentración con los velos colectores de amplias superficies de reflexión además de las implementaciones ópticas que se desarrollan en la vecindad del área de las células fotovoltaicas.

Estructuralmente, el receptor del sistema aquí presentado, es una configuración de receptor único, que puede tener una o varias líneas receptoras (Figura 6), pero que es común para todo o al menos para grandes áreas del campo solar. Por lo tanto, el receptor se configura de manera independiente para recibir la radiación de todos los velos colectores del campo solar.

Una segunda propiedad del receptor es su ubicación a gran altura en una estructura de puentes (Figura 6) que se prolonga en una considerable longitud sobre el campo solar. Se considera de preferencia una configuración de puentes colgantes suspendidos de una red de cables (202, 203), soportados desde estructuras en altas colinas y por torres de gran altura (201). A mayores alturas se facilita la recepción de la radiación proveniente de múltiples unidades colectoras (Figura 1), situadas en distintos sectores del campo solar. Este receptor, de gran altura, separado del campo solar de velos colectores y de mayor concentración de sus instalaciones, presenta una serie de ventajas, entre las cuales son de gran importancia las siguientes:

Permite una mayor escala de producción. Al operar superficies colectoras considerablemente mayores a las de los sistemas hasta ahora existentes.

Permite generación fotovoltaica intensiva usando la concentración de campo solar para reducir el número y el área de celdas fotovoltaicas a emplear para una misma capacidad de generación.

En el caso termo-solar facilita la opción de generación directa de vapor ya que las correspondientes tuberías de conducción de vapor quedan confinadas en el área del receptor, mucho menor que la cubierta por el campo solar.

Facilita el uso de sales fundidas como fluido de transferencia y medio de almacenamiento. El receptor en un área o línea acotada y desligada del campo solar permite un mecanismo más simple de control de temperaturas mínimas para evitar la solidificación de las sales.

Facilita el uso de temperaturas más elevadas en todo el sistema, producto de trabajar con mayor concentración de la radiación en una zona estrecha sin extender demasiado las tuberías de conducción. Mayores temperaturas tienen la ventaja de mejorar la capacidad de almacenamiento y de producción de vapor, alcanzando además, mayor eficiencia en el ciclo termodinámico de la planta termo-solar en su conjunto.

Permite usar motores Stirling en el receptor con mayor capacidad que la obtenida actualmente en los discos parabólicos, al recibir la radiación concentrada desde el campo solar.

Asimismo, facilita la posibilidad de usar aire como fluido térmico a altas temperaturas para alimentar un ciclo termodinámico Brayton y, con el calor remanente, generar vapor para otra unidad de potencia, configurando un ciclo combinado termo-solar.

A continuación se describen en profundidad la Estructura de Suspensión y Anclaje del receptor, diversas configuraciones de instalación de estructuras específicas en el puente que son comunes para los tres mecanismos de recepción y finalmente, las características especificas para los mecanismos termo-solares, fotovoltaicos y electromecánicos. Asimismo, se presentan realizaciones del Colector Secundario, para configuraciones donde el ancho del área de recepción es muy estrecha y por tanto es necesario incluir instalaciones adicionales para captar la radiación que desborda esa área. a) Estructuras de Suspensión y Anclaje del Receptor Común

El receptor propiamente tal se instala en un conjunto de puentes en altura. Preferentemente, se considera un sistema de puentes colgantes soportado por grandes torres o estructuras situadas en lugares altos, permitiendo ganar altura sin costos mayores, buscando lograr áreas de recepción angostas y de grandes longitudes.

Un puente colgante es una forma simple para sostener un receptor longitudinal a gran altura. En la Figura 6 se presenta un receptor instalado en un puente colgante soportado por dos torres distantes a través de cables que lo sustentan. En sitios de topografías variables se deberían aprovechar superficies en altura, para dar continuidad y conectividad a las instalaciones del puente con las del resto de la planta. En sitios planos la conexión se puede realizar mediante ductos verticales y ascensores o mediante un sistema de puentes de acceso con pendiente, hasta llegar al nivel del suelo.

Existen puentes colgantes en muchas carreteras en el mundo, con capacidades de carga y longitudes muy grandes. Comparativamente, la aplicación presentada en esta invención tiene requerimientos bastante menores que esos, tanto porque las cargas a soportar por el puente en este caso en si mismas son menores, así como, porque las cargas de viento se pueden reducir considerablemente. Esto último dado que, la estructura del puente puede prescindir de paredes o superficies continuas que presenten considerables resistencias que signifiquen limitaciones importantes de diseño. En consecuencia, técnicamente no existen mayores limitaciones para implementar esta nueva configuración de receptores dispuestos en largos puentes colgantes.

Aún así, es importante tener en cuenta que el puente colgante para el receptor común considerado, además de contener los ductos y válvulas de alimentación, así como, los elementos constitutivos del receptor, debe ser capaz de proporcionar el acceso y los servicios para el montaje, reemplazo, mantenimiento y operación del receptor y del colector secundario, que también deben residir en la estructura del puente. Las necesidades de acceso y de traslado dentro del puente (207), de los diversos elementos citados, hace necesario el uso de carros de traslado de personas y materiales, máquinas de lavado, montacargas y otros similares. Para ello se deben establecer líneas de rieles, de preferencia de doble vía, con zonas de transferencia dentro del puente.

Asimismo, esta configuración debe proporcionar servicios como aire comprimido, agua, fuerza, iluminación y servicio de lavado de espejos. En el caso de establecer un receptor con unidades fotovoltaicas o con motores Stirling en el puente, se debe tener en cuenta que, los cables que lleven la electricidad hacia la planta de potencia que contiene los inversores y los elementos de control de rigor deben conducirse también por el puente. Con todo, las cargas del puente son considerablemente inferiores a las de un puente carretero. En términos generales, una configuración de puentes, que presenta ventajas operativas importantes, tiene la vía de transporte en la parte superior y el sistema receptor en la inferior. Arcos metálicos, distribuidos regularmente a lo largo del puente, integran su estructura y proporcionan los elementos de anclaje y suspensión desde los cables verticales soportantes desde arriba. Para evitar aumentar las cargas de viento, se sugiere una vía descubierta, sin superficies continuas como techos, paredes o pisos. Esto último, entrega la ventaja adicional de no presentar sombras significativas hacia el campo solar.

Tal como en un puente colgante, un conjunto de cables primarios une los extremos superiores de las diversas torres que los soportan, colgando de ellas en la forma de catenaria (figura 6). Desde esas catenarias cuelgan a distancias regulares los cables verticales que sustentan desde arriba los arcos metálicos de la estructura del puente.

Variantes interesantes y dependientes de la topografía del campo solar podrían hacer conveniente el aumento del número de torres o estructuras de soporte en colinas o promontorios. Es así como, configuraciones más complejas con líneas curvas de recepción permiten adecuar y dedicar líneas receptoras determinadas a zonas específicas del campo solar para facilitar el seguimiento del sol por los sistemas colectores, logrando así, mayor eficiencia en la captación de la radiación e incrementando la escala de las plantas solares. Un receptor en altura con curvaturas hacia zonas específicas facilita el enfoque de los colectores hacia esa zona, reduciendo además, los espacios inútiles del campo solar, evitando alejar demasiado los colectores cuando se aumenta el tamaño de la planta. Por lo tanto, en el caso de emplazamientos en zonas de topografías abruptas con pendientes importantes, el diseño debe realizarse de acuerdo a las condiciones específicas del sitio de instalación, ubicando alguna o todas las torres o estructuras de anclaje del Puente Receptor Central en lo alto de las colinas, desplegándose hacia el valle haciendo que su disposición facilite la recepción.

Varias líneas receptoras, con cierta curvatura y concavidad para zonas específicas cada una, facilitan el ajuste y seguimiento que deben realizar los velos colectores para mantener posiciones con bajos ángulos de reflexión. Cada área puede corresponder a una orientación o topografía diferente dentro del campo solar. Varias líneas curvas se pueden cerrar entre ellas configurando circuitos cerrados que faciliten el transporte de materiales, con sitios de almacenamiento comunes y estaciones de transferencia de coches o cabinas funiculares. b) Configuraciones del Receptor aplicables a los tres mecanismos de recepción

El sistema de recepción se sitúa en altura en líneas que se adentran en el campo solar para recibir la radiación desde muchos velos colectores. Las realizaciones de los diversos tipos de generación solar difieren principalmente en que en las opciones fotovoltaicas y de motores Stirling las instalaciones de generación se deben situar en el propio puente receptor, necesitándose, por tanto, una red eléctrica de evacuación hacia la subestación de elevación de la planta. En cambio, para la opción termo-solar, la energía se transfiere en forma de calor, a través de un fluido térmico, a una planta con turbinas de vapor o eventualmente a una turbina de gas o de ciclo Brayton. Por lo cual, en este último caso, es necesario incorporar tuberías matrices a través del puente, para llevar el fluido a alta temperatura hacia la planta de generación y a la de almacenamiento. Cabe entonces, la alternativa de establecer tuberías de fluido térmico o una red de evacuación de potencia a través del puente, dependiendo del tipo del mecanismo de recepción que se desee establecer. Para las opciones que contemplan la generación en el propio puente, como la fotovoltaica y la de motores Stirling, es necesario contemplar una red eléctrica para su evacuación. En la opción fotovoltaica se deben considerar, además, las subestaciones inversoras con los interruptores y transformadores requeridos. Del mismo modo, en la opción de motores Stirling se deben incorporar todos los elementos necesarios para incorporar su producción a la red.

A su vez, caben diversas opciones de configuración de receptores, algunas consideran unidades fijas ancladas al puente soportante y otras incorporan opciones de unidades móviles que puedan deslizar a través del puente ajustando su posición durante el día para facilitar la focalización desde los colectores. En todas ellas se consideran unidades modulares para facilitar su montaje, reemplazo y mantenimiento.

Para unidades fijas se considera la alternativa que el receptor se encuentre en la parte central de la estructura del puente o que este se desarrolle en la periferia de una estructura más grande para ampliar la zona de recepción. En el primer caso se incorpora un colector secundario para ampliar la zona equivalente de recepción. A su vez, se consideran dos opciones móviles, consistentes ya sea, en cabinas colgadas tipo funicular o en un tren de carros que contienen los mecanismos receptores y que se desplazan por el puente. Todas estas opciones se pueden utilizar con cualquiera de las mecanismos de recepción solar ya descritos y se presentan en más detalle a continuación: i. Receptor Longitudinal Interior con Colector Secundario.

Consiste en una línea receptora angosta de mayor concentración ubicada en la parte central y bajo la vía de servicio del puente. La línea se subdivide en módulos asociados a tramos específicos del puente y se pueden conectar ya sea en serie o en paralelo. Se incorpora alrededor del receptor una amplia zona de colectores secundarios (400) consistente en superficies reflectoras radiales, montadas en una estructura que rodea el puente, para captar la radiación que desborda al receptor. Esta estructura, descrita en mayor detalle en la sección "c) colector secundario", es muy importante porque permite ampliar considerablemente el ancho del área equivalente de recepción para tener suficiente holgura y mejorar la posibilidad de enfoque y de concentración de los velos colectores hacia la zona de recepción, en su seguimiento de la posición relativa del sol, a través del tiempo. Por un lado, una zona de recepción más estrecha tiene la ventaja de un receptor más eficiente pero obliga a considerar sistemas de seguimiento y concentración más precisos y por tanto más costosos. El colector secundario permite una gran superficie de captación con receptores de menor apertura y por tanto más eficientes.

El Colector Secundario

La función del sistema colector secundario (400) es ampliar el área de recepción para captar la radiación que desborda el receptor propiamente tal. Este colector recibe la radiación proveniente del campo solar (Figura 1) siempre en la misma dirección, ya sea durante el día o a lo largo del año. Por ello, no se requiere un sistema de seguimiento del sol, como en el caso de los velos colectores que deben moverse ajustando su posición y forma según el movimiento aparente del sol. En esta tarea el colector secundario rodea al receptor (401) captando los rayos que tienden a escaparse, redirigiéndolos, hacia las superficies receptoras. Se producirá desborde de radiación ya sea por desajustes en el sistema de seguimiento del sol de los velos colectores, por vibración debida al viento u otras perturbaciones ya sea de los colectores o del propio puente receptor.

La configuración del colector secundario propuesta en esta invención consiste en espejos o superficies reflectantes dispuestos en el plano que forman las direcciones longitudinal y radial soportadas en estructuras independientes por tramos. Estas estructuras rodean el puente, en el tramo correspondiente y se desarrollan entre el radio que circunscribe al puente (408) y un radio exterior (406) alejado que define el límite de captación, adquiriendo un aspecto de jaula de ardilla (figura 11) con barras longitudinales (404, 405), uniformemente espaciadas, en dos superficies cilindricas concéntricas, unidas a anillos (406) que le dan solidez y le permiten girar en guías circulares dispuestas en la estructura del puente.

El colector propiamente tal consiste en filas de espejos dobles (407), con ambas caras reflectantes, que se sustentan en una red de cables, a través de grilletes, que los anclan a los barrotes externos e internos de la jaula, en la dirección radial. Una vez montadas las filas de espejos la jaula toma el aspecto de una turbina cilindrica horizontal (Figura 12), donde las superficies de espejos aparentan como aspas en la dirección radial. La estructura de soporte de forma de jaula de ardilla indicada permite disponer las superficies de espejos en ángulos diferentes de la dirección radial uniendo las barras externas con barras desplazadas de su gemela de la línea radial. Asimismo, es posible crear superficies quebradas para obtener determinadas concavidades que permitan direccionar en mejor forma los rayos de radiación a través de los espejos hacia las zonas del receptor. El colector secundario se desarrolla entonces en forma radial en su estructura de jaula de ardilla, pudiendo rotar, alrededor del puente lo que permite acercar una a una las filas de espejos del colector hasta las posiciones de montaje, mantenimiento y limpieza desde la parte superior del puente (410). Adicionalmente, la libertad de rotación entrega el beneficio de reducir las cargas de viento sobre el puente colector en su conjunto. ii. Receptor Longitudinal Periférico sin Colector Secundario Esta opción considera una solución alternativa a la incorporación del colector secundario para ampliar la zona hacia la cual los velos colectores del campo solar deben dirigir la radiación. En la parte superior del puente se establece una zona de montaje (510) que está implementada con mecanismos de alzamiento para tomar los módulos o elementos desde los carros de transporte y suministro y llevarlos a su posición de trabajo. Los módulos receptores se montan en una estructura cilindrica tipo jaula de ardilla que puede rotar con el puente en su interior, para facilitar el montaje, el reemplazo de partes y piezas, así como, el mantenimiento. Al rotar la estructura de jaula de ardilla se acercan las líneas de montaje, una a una, hacia la zona de montaje, para realizar las tareas correspondientes. Se ha buscado configurar los elementos del receptor en módulos homogéneos intercambiables para simplificar las operaciones.

Esta configuración divide el receptor en tramos o módulos longitudinales coincidentes con los vanos del puente (distancia entre los arcos de suspensión que cuelgan de los cables verticales de suspensión(203)) para hacer posible la rotación descrita y que no sea bloqueada por los cables de suspensión (203). Así los módulos receptores (500) de cada tramo del puente, aunque operan fijos, en todos los mecanismos de recepción, son intercambiables y están dispuestos de modo que, se pueden montar y posteriormente reemplazar cuando sea necesario, en la zona de montaje, sobre la vía de tránsito o de servicio del puente. Estos módulos longitudinales pueden operar en serie con uniones entre ellos o en paralelo en forma independiente conectándose cada uno, ya sea, a los tubos matrices o a la red de evacuación de potencia, según corresponda. muestra en las figuras 13, 14, 15 y 16 para el mecanismo termo-solar de recepción, que sitúa muchos tubos receptores (501) en el exterior de una estructura de radio amplio, para alcanzar el ancho necesario para una recepción efectiva de la radiación. Las figuras señaladas muestran configuraciones que dividen el receptor en unidades modulares (500) con estructuras similares al receptor que utilizan tecnologías como la Lineal Fresnel. Por su parte, las Figuras 17, 18 y 19 muestran esta opción para el mecanismo fotovoltaico, así como, la Figura 20 presenta el caso de motores Stirling iii. Receptores Modulares en cabinas desplazables

Consiste en unidades receptoras modulares (figura 7, 8, 9 y 10), dispuestas en cabinas desplazables tipo funiculares que cuelgan y deslizan de rieles a través del puente. Las cabinas se desplazan suspendidas a través de anclas que deslizan con ruedas sobre los rieles, a modo de puente grúa. Entre los rieles hay una ranura longitudinal que permite la entrada y deslizamiento de las anclas de suspensión de las cabinas. Para fines de flexibilidad operativa es conveniente contar con dos líneas de rieles para permitir movimientos paralelos para reemplazo y traslado de cabinas, considerando estaciones de transferencia entre ellos. Se pueden acoplar tantas cabinas como se necesite, así como, dejar algunas unidades de reemplazo para su mantenimiento y reparación. Se desarrollan unidades receptoras modulares para cada mecanismo de recepción, ya sea, térmico, fotovoltaico o termo-mecánico.

Las cabinas tienen tapas herméticas a ambos lados y en el piso las cuales se abren durante el día para recibir la radiación proveniente de los velos colectores, que llega desde esas direcciones. Estas tapas se abren durante el día para disponerlas como colectores secundarios con superficies reflectantes que redirigen la radiación desbordante hacia los paneles receptores.

El mecanismo de desplazamiento a través de los rieles de suspensión permitirá llevar los módulos receptores hacia la zona de talleres para su mantenimiento, como asimismo, permitirá desplazar los módulos durante la operación siguiendo la posición del sol a posiciones más favorables que faciliten la orientación de los colectores. El desplazamiento de los funiculares (figura 7) durante el día es discontinuo a posiciones regulares donde existan mecanismos de conexión a los tubos matrices a lo largo del puente (grifos o conectores en posiciones fijas). Las cabinas podrán desplazarse en forma individual o en grupos como un tren de muchas unidades. Un procedimiento simple para el avance de los módulos de recepción hacia posiciones más favorables en el seguimiento del sol, consiste en cambiar, cada cierto tiempo, la cabina trasera del grupo a la posición delantera. Con sucesivas operaciones Estas cabinas así como las unidades receptoras que se incluyen en su interior deben ser iguales para posibilitar su intercambiabilidad y la fabricación en serie para reducir su costo de construcción. que proporcionen calor a través de un circuito matriz a una planta de vapor fuera del receptor, así como, unidades que directamente produzcan electricidad como paneles o arreglos de células fotovoltaicas o motores Stirling, que se integran a través de una red, que transporta la producción hasta la subestación elevadora de la planta. iv. Receptores Modulares de unidades desplazables tipo coches de Tren.

Esta opción conceptualmente es similar a las unidades tipo funicular presentadas en el punto anterior, pero consiste en módulos receptores montados en un tren o plataforma, de uno o muchos coches que se deslizan en una vía de trabajo a través del puente colgante. El sistema de radiadores de cada coche está integrado a un circuito de tuberías que alimenta tanto el sistema de potencia como el sistema de almacenamiento, del mismo modo como sucede con las opciones de Receptor Fijo ya descritas.

El tren se desplaza a lo largo de su vía, para presentar una posición más favorable y mejorar el enfoque de los colectores durante el día. El movimiento del tren puede realizarse en avances discretos a posiciones establecidas para facilitar su conexión, a las líneas de alimentación de fluido, desde el circuito hidráulico primario, que lo integra a las unidades de almacenamiento y de potencia. La conexión, propiamente tal, al igual que en el caso de usar cabinas de tipo funicular, se realiza a través de grifos uniformemente ubicados, a lo largo de la vía. c) Realizaciones del receptor para cada uno de los mecanismos de recepción i. Receptores térmicos

El mecanismo de recepción térmico está asociado a transferencia de calor hacia la planta de generación con turbinas de vapor y a la opción de almacenamiento térmico, que permite mantener la producción, cuando ya no se cuenta con radiación solar, en la noche. Se describen a continuación las instalaciones para transferir el calor al fluido térmico y llevarlo a la planta de generación y a los tanques de almacenamiento.

El receptor se ha conformado con unidades receptoras modulares ¡guales e intercambiables para facilitar su instalación, operación, mantenimiento y fabricación. Esta conformación se mantiene para cada una de las configuraciones enunciadas en el apartado b), como sigue:

• Para la opción móvil de cabina, el receptor modular está en su interior; por lo que, se asemeja a los receptores de cavidad en torres solares que permiten controlar mejor las pérdidas de calor por convección. En el interior de la cabina, a ambos lados y hacia abajo, se instalan paneles de tubos que enfrentan hacia el campo solar encapsulados con una cubierta transparente seccionada por grupos de paneles y con una pared aislante rígida en la parte trasera, para su aislación térmica independiente (figura 9, 302). Los paneles se unen a través de colectores que cruzan la pared aislante y llevan el fluido hacia depósitos de regulación en el centro de la cabina, para entregar un flujo uniforme, a la temperatura de consigna.

• Para la opción móvil de coches tipo tren, el receptor es similar al de las cabinas, sin embargo, es necesario diseñar un mecanismo que aproveche la radiación inferior.

• Para el caso del receptor longitudinal periférico se presenta un receptor térmico de haces de tubos longitudinales dentro de un colector secundario en módulos similares a los receptores usados en la tecnología lineal de Fresnel (figura 13, 501), instalados en la estructura de jaula de ardilla en forma alternada en dos radios externos contiguos, el que se instala desde la zona de montaje (510), sobre la vía de servicio del puente, haciendo uso de los medios de transporte y alzamiento desde el puente y, de la posibilidad de rotación de la estructura de jaula (Figura 13). Los tubos longitudinales al final de cada tramo se unen entre si mediante un tubo colector circular (508), que adicionalmente, tiene elementos que le permiten unirse al tramo que le sigue con uniones desmontables (507) para el reemplazo de los tubos o módulos colectores por tramo.

· Para el receptor longitudinal interior con colector secundario se presenta un receptor térmico compuesto de uno o varios tubos de alto flujo (401) dispuestos bajo la vía de servicio del puente y en el centro de la estructura de jaula del colector secundario. Para evitar las pérdidas de calor por convección, se incorpora una zona de vacío (403), alrededor del o de los tubos, formada por espacios delimitados por paredes circulares transparentes. Esta zona además, se ha seccionado longitudinalmente en porciones angulares regulares, también con paredes transparentes de dirección radial que separan cavidades independientes (403) que sirven como soporte de las superficies cilindricas y como medio de repartición de los esfuerzos mecánicos que actúan sobre esas superficies.

Además, se contempla la posibilidad que la línea de tubos esté compuesta por tramos independientes, en serie, con uniones a través de anillos de anclaje que los sustentan del puente. Algunas de estas uniones se diseñan para absorber las dilataciones térmicas longitudinales separando tramos, que además en su operación puedan girar en torno de su eje longitudinal, en forma independiente, para mejorar la transferencia de calor al fluido que se desplaza por su interior. Este mismo movimiento permite reducir el gradiente térmico entre las superficies expuestas y no expuestas a la radiación solar, en el entorno de la circunferencia de cada tubo. El movimiento señalado puede no ser necesario para el caso de generación directa de vapor, ya que en este caso la proporción en estado líquido tenderá a permanecer en la zona baja de los tubos, facilitando por si misma la evaporación y por ello la transferencia de calor.

El receptor termo-solar de esta invención contempla que el puente contenga al menos dos tubos matrices (206), uno frío para traer el fluido al receptor y el otro caliente para enviarlo a la planta de generación. En el puente se ha dejado una zona bajo la vía de servicio para alojar las líneas de estos tubos, considerando cada cierta distancia áreas de ensanchamiento del puente para incorporar zonas de compensación de dilataciones térmicas.

La incorporación de tubos frío y caliente es consistente con el hecho que, el receptor se basa en unidades receptoras en paralelo que simultáneamente toman fluido del tubo frío y lo entregan, a la temperatura adecuada o de diseño, al tubo caliente. Queda contemplada la opción de incorporar tubos matrices de temperaturas intermedias a la de alimentación desde y hacia la planta, al menos para algunos tramos, para establecer etapas de calentamiento parciales en algunos módulos, con incrementos sucesivos hasta alcanzar las temperaturas de despacho hacia la planta. En este caso, algunas unidades receptoras deben tomar fluido desde el tubo frío y entregarlo más caliente a un tubo de temperatura intermedia. Las siguientes unidades toman el fluido desde el tubo de temperatura intermedia para entregarlo al tubo de temperatura final que se envía a la planta. De este modo, se pueden establecer varias etapas de calentamiento agregando varios tubos matrices con temperaturas intermedias. Este seccionamiento puede ser especialmente útil para producción directa de vapor distinguiendo entre etapas de precalentamiento, vaporización y recalentamiento que son características típicas de los ciclos de vapor. Para ello, se requiere diseñar receptores modulares diferentes para cada etapa y secciones diferentes para los tubos matrices asociados a cada una.

Adicionalmente, un mecanismo de control propio de cada unidad receptora determina el tiempo que permanece el fluido en cada unidad, así como, el flujo requerido para que el incremento de temperatura sea el de diseño, ante distintos niveles de radiación recibida. Si una unidad está recibiendo poca radiación, el mecanismo de control reducirá el flujo de entrega de fluido, de modo que, éste logre la temperatura correspondiente. Del mismo modo, si aumenta la radiación recibida, el mecanismo aumentará la entrega de fluido para evitar aumentos excesivos de la temperatura.

El tipo de disposición modular permite usar más de un circuito o fluido de transferencia. A modo de ejemplo, podrían destinarse algunas unidades receptoras para generación directa de vapor para la planta de generación y otras unidades receptoras para calentar sales minerales fundidas para la planta de almacenamiento. En este caso, habrían algunos módulos receptores dispuestos para el calentamiento de las sales minerales y otros para la generación de vapor, con sendos sistemas de tubos matrices dispuestos en el puente, los que pueden distribuirse en sectores separados o en líneas separadas. En esta lógica, también es factible el calentamiento de aire a altas temperaturas para alimentar un ciclo Brayton. En este caso, el receptor toma el aire frió y lo entrega a alta temperatura a un sistema de tubos de gran envergadura que, a su vez, lo lleva a una turbina de calentamiento externo que acciona el generador de potencia fuera del puente. El aire de escape o salida de la turbina puede alimentar un ciclo de vapor como en las plantas de ciclo combinado de gas natural.

Finalmente, una opción interesante es sustituir la planta de vapor por una planta con motores Stirling alimentada con calor de un circuito de sales fundidas, ya sea directamente del receptor o de los estanques de almacenamiento. Para ello, es necesario incorporar varios motores en serie, de modo que, el primer motor recibe el fluido a la temperatura máxima de almacenamiento y cada motor siguiente recibe el fluido a la temperatura de salida del anterior, un escalón más baja, y lo entrega al próximo, con un nuevo descenso de temperatura, hasta que el del final lo entrega a la temperatura del estanque frío, recuperándose así toda la energía almacenada en el fluido térmico. La ventaja de este sistema es que no necesita agua para enfriamiento y al ser modular su instalación puede ser programada según el crecimiento de la curva de demanda, presentando además rendimientos bastante competitivos. ii. Receptores Fotovoltaicos El potencial de aplicación de la opción fotovoltaica usando las estructuras y configuraciones de esta invención es bastante amplio y se plantean varias opciones:

En primer lugar, se incluye la opción de usar directamente los velos colectores como estructuras de soporte de los módulos fotovoltaicos sustituyendo los espejos por estos módulos. En este caso, se agregan los equipos eléctricos necesarios, entre estos: conectores, inversores, la red que permita juntar los aportes de los diversos módulos dentro de cada velo, así como, la red para juntar los aportes de los diferentes velos, con las subestaciones de elevación de tensión requeridas. De este modo, se tienen configuraciones de una mayor escala que las presentes en la industria.

La segunda opción usa la potencialidad del mecanismo de concentración desarrollado en esta invención, instalando los módulos fotovoltaicos en el puente receptor (figura 17 y 18). Cabe señalar que las células fotovoltaicas deben tener capacidad suficiente para recibir la radiación concentrada que llega al puente. Las células de varias junturas pueden recibir niveles de radiación bastante altos con factor de concentración superior a mil.

Se establecen arreglos de células fotovoltaicas para las cuatro opciones de disposición de receptores descritas en la letra b) con las opciones periférica longitudinal, longitudinal interior con colector secundario, modulares en cabinas desplazables y modulares en coches de tren. Asimismo, se consideran en el puente las subestaciones con los inversores, interruptores y elementos de protección, con una red de transmisión desde el puente hacia la subestación de elevación de la planta. Estos sistemas significan por un lado, una carga importante para el puente, así como, obligación de considerar y establecer la logística de montaje, reemplazo y mantención de sus elementos, a través del puente colector común. Dada la significativa concentración energética en el puente receptor, las subestaciones indicadas quedan bastante cercanas unas de otras, por lo cual, se dispone que, en la galería de la parte intermedia del puente, bajo la vía de servicio, se instalen subestaciones modulares con los inversores integrando una red de transporte que las une con los cables conductores hacia la subestación principal de la planta, a través del puente.

En la práctica, la opción fotovoltaica se diferencia de la opción térmica porque se sustituyen los receptores térmicos y sus tuberías de conducción de fluido térmico a través del puente, por los arreglos fotovoltaicos con la red de subestaciones y cables de potencia señalados, para evacuar la producción hacia la subestación principal.

La disposición de celdas fotovoltaicas dentro de los arreglos ha sido establecida considerando células de alta capacidad y eficiencia para altos niveles de concentración. En la actualidad estas características se presentan en las células de múltiples junturas, lo que permite mejorar la escala y eficiencia global de la planta. La Figura 17 muestra la configuración longitudinal periférica con su estructura de soporte tipo jaula de ardilla para albergar en su zona exterior los paneles fotovoltaicos. En esta figura, se presenta una estructura óptica longitudinal con unidades de concentración cónicas y hexagonales (602) enfrentando el campo solar con una amplia entrada de radiación a través de lentes que concentran la radiación y la dirigen hacia la posición de las células fotovoltaicas. La estructura indicada puede no ser adecuada para los dispositivos actuales. Se debe tener en cuenta que el receptor recibe radiación de diferentes ángulos y desde distintas posiciones, desde donde se encuentran los velos colectores. Esta característica no es compatible con las ópticas de concentración disponibles que están orientadas a captar radiación directa. En este caso, se trata de radiación anidólica que aunque durante el día mantiene la dirección de incidencia, independientemente de la posición del sol, presenta el inconveniente que el receptor recibe la radiación desde diversos lados con un rango angular relativamente amplio, lo que no es aceptable para las ópticas señaladas. Por otro lado, esta misma característica hace que no se requieran mecanismos de seguimiento del sol. Ello debido a que los espejos de los velos colectores, aunque el velo gire, no cambian mucho su posición respecto del receptor, por lo que, independientemente de la posición del sol, la radiación llega al receptor, aproximadamente, desde los mismos lados.

El principal problema de esta condición radica en que en cada punto del receptor se está recibiendo radiación incidente en un rango de ángulos de incidencia relativamente ancho, lo que es un problema para usar directamente los paneles con células de varias junturas de alta eficiencia, ya que los elementos ópticos que en ellas se utilizan restringen el ángulo de incidencia a alrededor de un grado respecto de la vertical. Por lo tanto, es necesario incorporar algún mecanismo para lograr que cada unidad básica de recepción reciba la radiación con rangos angulares pequeños. Como unidad básica se puede utilizar una célula fotovoltaica con un domo pequeño de concentración. Se incorporan dos mecanismos de captación angular diferenciada de radiación, que pueden complementarse para mejorar los resultados, los que se exponen a continuación.

El primer mecanismo desarrollado se ha denominado subdivisión fractal interior. Este mecanismo consiste en dividir el área de recepción estableciendo múltiples cavidades o superficies cóncavas en ella, de modo que cada porción superficial dentro de la cavidad reciba la radiación desde orientaciones específicas y rangos angulares más estrechos. Constituyendo nuevas cavidades pequeñas dentro de esas cavidades de primer nivel se produce una segunda división superficial en que cada lado de cada pequeña cavidad se hace más específica, enfrentando la radiación con rangos angulares más pequeños. Para evitar pérdidas superficiales se establecen cavidades de forma hexagonal de modo de maximizar la captación de radiación en el panel o módulo de recepción. Una forma de establecer esas cavidades es disponer capas alternadas a distintas profundidades, en las que se alternan zonas de recepción concéntricas de subdivisiones en grupos de 3 cavidades receptoras (602) en que la del medio está más al interior y las dos laterales tienen una inclinación de modo que cada una, quede en forma perpendicular a la radiación media que enfrenta. Cada una de las unidades receptoras recibirá la radiación con ángulos más estrechos que los de su grupo. Si cada una de las tres unidades, a su vez, se subdividen en tres subunidades se logrará una nueva reducción de la banda angular recibida. Subdivisiones sucesivas permitirán llegar a los rangos aceptables para cada célula fotovoltaica. Así, las superficies receptoras que están en la línea interior siempre reciben un rango más estrecho de radiación, ya que, la asociada a ángulos mayores es captada por las superficies vecinas y más externas. Por lo tanto, replicar el diseño y disposición de las áreas de celdas fotovoltaicas descrito en la figura 17 con nuevas subdivisiones en capas más internas, en forma reiterativa, tipo fractal, reducirá sucesivamente los rangos de radiación incidente en cada una de las unidades de recepción. Esta estructura se reproducirá longitudinalmente adquiriendo la forma que se presenta en la vista tridimensional de la figura 18. Para mayores subdivisiones cada fila de cavidades cónicas se descompondrá en 3 filas interiores. La alternativa es considerar cavidades longitudinales tipo canaletas o series de cavidades hexagonales para alcanzar los largos requeridos. La primera opción es adecuada si la dispersión angular en la dirección longitudinal es baja y está dentro del rango aceptable. La segunda opción es obligatoria si la dispersión angular de la radiación es mayor que la aceptable.

El segundo mecanismo de captación angular diferenciada de radiación, se ha denominado subdivisión fractal central, tiene la forma de la figura 19, se instala en la superficie exterior del panel de captación. Este mecanismo se aplica para arreglos o paneles que se instalen en la jaula de ardilla del receptor longitudinal periférico, en las cabinas o coches o en el interior del colector secundario. En ella se utiliza un mecanismo de repetición fractal similar al anterior, en que cada estructura presenta una cavidad con una parte central más alta, en la cual se repite la misma estructura, con una nueva cavidad en su interior, en forma reiterada. La base es un arreglo que contiene un receptor central superior y dos laterales inferiores con superficies reflectantes en la paredes de toda la estructura. El receptor central superior a su vez se subdivide en un receptor superior y dos laterales inferiores de menor tamaño. El receptor más pequeño aceptado corresponde a una celda fotovoltaica con un domo de concentración pequeño en su entorno (701), los que se repiten tanto en la posición superior como en las laterales inferiores. El arreglo descrito se puede desarrollar en áreas circulares, hexagonales u otras con una parte circular superior y una inferior que la rodea. La circular superior, a su vez, se divide en una circular superior y una circular inferior. Cualquier corte diametral tendrá la forma de la figura 19. Lo mismo sucede para el caso hexagonal. En un diseño mixto, se puede escoger una combinación de los dos mecanismos descritos hasta lograr que el ancho de la banda angular se ajuste al requerido en cada domo de recepción de radiación. iii. Receptores Termo-mecánicos con Motores Stirling

La alta concentración de radiación solar en el Puente Receptor Común hace posible usar motores Stirling como medio de recepción con capacidades mucho mayores que los usados en los discos parabólicos. Los grupos motores-generadores se pueden disponer, sin discos parabólicos, directamente en el puente según cualquiera de las disposiciones que se presentaron como realizaciones del receptor en la letra b), esto es: en la disposición longitudinal periférica, la disposición longitudinal interior con colector secundario, la opción modular tipo cabinas funiculares y la opción modular en coches de tren. Dada la alta radiación incidente se requeriría una gran cantidad de motores por metro lineal del puente, los que sería necesario repartir en la zona exterior. Una buena opción es instalarlos en conos reflectantes de forma hexagonal (602) que se juntan en sus bordes formando superficies cilindricas longitudinales con una apariencia similar a las estructuras de la figura 18. Cada cono tiene la función de aumentar la superficie de captación a un radio algo mayor que el de la carcaza del motor, para evitar que la radiación desborde e incida sobre ella.

En el caso de la disposición en las cabinas desplazables se instalan en forma similar, con la cavidad receptora hacia el campo solar, con los tamaños disponibles se necesitan muchos, unos a cada lado de la cabina y otros tantos hacia abajo para recibir la radiación proveniente de esas direcciones. El cono de recepción tendrá que cubrir un área mayor que la carcaza de cada motor, para evitar pérdidas de radiación y daños al equipo.

Esta disposición resulta intensiva en unidades generadoras relativamente pequeñas para la escala de producción, que plantea algunos desafíos para su operación y control por lo que es necesario el desarrollo de motores de mayor tamaño para reducir la complejidad operacional. Asimismo, por razones de economía de escala es conveniente usar motores de mayor tamaño, pero el mercado de motores Stirling ha tenido un bajo desarrollo comparado con los motores de combustión interna que queman combustibles fósiles y no hay disponibles motores del tamaño más adecuado. En la actualidad, los motores Stirling usados para los discos parabólicos tienen una capacidad de unos 25kW. El diseño de mayor tamaño conocido de estos motores es de 600kW, que es muy antiguo y no existen unidades de este diseño en el mercado actual. Los mayores tamaños comerciales son los que se usan en submarinos con tamaños del orden de 75kW, pero igual deben ser adaptados a esta aplicación.

Con la presente invención se abre un mercado que permitiría desarrollar motores de mayor tamaño y con algunas características constructivas especiales para esta aplicación. A modo de ejemplo, cabe considerar unidades con más pistones en un eje común, operados con fuentes de calor de distintas temperaturas para distinguir 3 o más etapas de transferencia de calor, como en las turbinas, con etapas de alta, intermedia y baja temperatura. Esta especificación se ajusta al diseño de esta invención que contempla almacenamiento térmico en estanques de sales fundidas. En este caso, es necesario mejorar el mecanismo de transferencia de calor entre el fluido térmico y el gas de operación interna de los motores. Para este caso, es preferible usar un receptor térmico para calentar sales minerales fundidas y alimentar los motores ya sea desde el receptor o desde el estanque de almacenamiento. Terminado el periodo de radiación del día, el flujo de fluido térmico se invierte para alimentar los motores desde los estanques de almacenamiento. En estos, el flujo parte en la etapa de alta temperatura, que extrae parte de la energía contenida, luego el fluido pasa, a menor temperatura, a la etapa de media, donde entrega otra porción de esa energía y finalmente, en la etapa de baja temperatura, entrega el saldo de la energía contenida al mecanismo de generación. Una alternativa a este diseño es considerar varios motores en serie (Figura 20), cada uno trabajando a distinta temperatura donde cada motor (801, 802, 803) entrega el fluido al siguiente, a una temperatura menor a la recibida. Cabe tener en cuenta que, en cualquiera de estas modalidades, hay una pérdida ya que la eficiencia se maximiza para altas temperaturas, pero para lograr rescatar toda la energía almacenada, necesariamente se deben considerar etapas con temperaturas sucesivamente más bajas, hasta la mínima aceptable para el fluido utilizado. Esta reducción de eficiencia obliga a dimensionar el tamaño del campo solar de modo de compensar la pérdida de energía asociada. Aún considerando este efecto, la eficiencia media del sistema en su conjunto es bastante alta comparada con las obtenidas a través de otras tecnologías.

Según se ha expuesto en esta invención se ha establecido un mecanismo para usar almacenamiento térmico con sales fundidas para alimentar motores Stirling, durante las noches o durante los periodos de interrupción de la radiación. En el día, el receptor térmico (806) opera simultáneamente alimentando los motores Stirling en forma directa y almacenando parte de la radiación recibida en forma de calor en un fluido térmico, que se retira de un estanque frío para devolverlo después de calentado a un segundo estanque de alta temperatura. Durante la noche, se retira fluido del estanque caliente (206 a) para devolverlo frío (206 b) una vez utilizado como fuente de calor para los mismos motores. El receptor entonces, en cualquiera de sus disposiciones debe contemplar tanto la utilización del calor directamente, con motores Stirling, así como, la transferencia hacia un fluido térmico, para el almacenamiento.

El receptor con motores Stirling en el puente se debe comparar económicamente con la opción de mantener receptores térmicos en el puente y transferir el fluido para alimentar motores Stirling en una planta fuera del puente. Al incorporar los motores directamente en el receptor, las tuberías matrices no necesitan ser tan grandes ya que parte del calor se usa para generación directa evacuándose vía red eléctrica. En cambio, para una planta fuera del puente se requiere dimensionar las tuberías para transportar el total del fluido necesario para el almacenamiento en forma simultánea con el fluido necesario para la generación en la planta, durante el día. La mejor opción dependerá del sitio de emplazamiento, del tamaño de la planta y del puente, así como de las características del consumo y de la red en su conjunto.

Una ventaja importante de los motores Stirling, respecto de una planta de vapor, es que este sistema de generación no requiere enfriamiento, entonces el consumo de agua se limita al uso de los servicios del personal y el lavado de espejos, lo que es una ventaja importante para su aplicación en muchos sitios. iv. Receptores mixtos con Paneles Fotovoltaicos, Receptores térmicos y termo- mecánicos en el Puente Receptor Común

En algunas situaciones pueden resultar convenientes aplicaciones que hagan un uso complementario o mixto de los mecanismos de recepción y de almacenamiento disponibles. A modo de ejemplo, con las eficiencias actualmente alcanzadas, puede ser conveniente usar la radiación base en la modalidad térmica y dejar la radiación eventual o de mayor intermitencia, para la modalidad fotovoltaica. En esta opción será necesario destinar partes diferenciadas del puente a cada tipo de generación.

C) SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO DE LOS COLECTORES Y DEL RECEPTOR

Un sistema de seguimiento de la posición del sol permitirá a los programas de optimización comandar la posición de los actuadores que ajustarán la orientación y forma de los colectores para lograr el enfoque adecuado en todo momento. En el caso de receptor móvil este mismo control central realizará la coordinación entre los movimientos de las cabinas receptoras y el de los velos colectores, así como de los flujos de fluidos térmicos a través de los circuitos hacia el sistema de potencia y el sistema de almacenamiento. Se contempla un sistema de comunicación entre unidades receptoras y velos colectores para que el colector pueda detectar los cambios de posición del módulo receptor para actualizar el enfoque de su radiación. Para ello cada unidad colectora deberá emitir una señal característica que pueda ser identificada e interpretada por el control del velo colector.