MEJIA SANTIAGO ANGEL ALEJANDRO (MX)
| US6922908B1 | 2005-08-02 | |||
| FR2927693A1 | 2009-08-21 | |||
| US4078549A | 1978-03-14 | |||
| CN201569253U | 2010-09-01 | |||
| US4202322A | 1980-05-13 |
| REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas: 1. Un sistema flexible de concentrador solar parabólico lineal en pequeña escala, para generación de energía y deshidratación, caracterizado porque consta de: Al menos un concentrador solar parabólico lineal compuesto de los siguientes elementos: i. Una superficie en forma de canal parabólico seccionada en al menos dos partes o paneles simétricos 20 de igual tamaño, que individualmente conforman un marco de soporte 19 construido a base de materiales metálicos (no restringido a estos materiales). ii. Un espejo reflector a base de lámina de aluminio o algún material polimérico 2 montado sobre cada uno de los paneles descritos en el punto anterior y sujetado mediante tornillos, remaches o adhesivos. iii. Al menos dos arcos curvos de soporte 7 que brindan rigidez a la superficie parabólica reflectora ante esfuerzos del viento y se encuentran longitudinalmente ubicadas y distribuidas en la parte posterior del colector solar. iv. Al menos tres elementos tubulares transversales 11, unidos entre sí con las costillas de soporte 7 mencionadas en el punto anterior, utilizando sujetadores como tornillos 13 y barras roscadas 12, dichos elementos tubulares ofrecen mayor resistencia a la tensión para mantener firme la geometría de la superficie parabólica. v. Un elemento receptor de radiación solar concentrada 6, conformado por un tubo cilindrico a base de un material metálico como cobre o acero inoxidable (no estando restringido a estos materiales) recubierto con una superficie selectiva a la radiación solar y protegido de pérdidas por convección mediante un tubo concéntrico y transparente a base de borosilicato o cristal . vi. Un sistema intercambiador de calor para deshidratación de productos 22 que consta de una cámara térmica aislada del medio ambiente 32 , una entrada de calor 23 a través de un fluido a alta temperatura con su respectiva salida, un arreglo de ventiladores 31 y celdas termoeléctricas 29 que producen un flujo de aire constante dentro de la cámara 37. El deshidratador transfiere su energía al producto mediante conducción, convección y radiación. vil Un módulo de control electrónico de rastreo solar 51 a base de celdas fotovoltaicas o fototransistores (no restringido a estos elementos) 4 que cuenta con un algoritmo de rastreo solar embebido en un microprocesador o microcontrolador, no restringido a estos elementos. El sistema se acopla a un actuador electromecánico 5 que mantiene la posición del colector hacía el ángulo de elevación del sol en todo momento. 2. El sistema descrito en la reivindicación 1) el cual gracias a su diseño modular permite el acoplamiento en serie desde dos hasta un número indefinido de módulos, formando una fila de concentradores 15 en una orientación Norte-Sur o Este-Oeste. Acoplados entre sí mediante ejes metálicos (no restringidos a este material) soportados sobre chumaceras 9 que permiten un movimiento angular de 180°. Dicho arreglo en serie puede ser multiplicado una cantidad indefinida de veces formando así un arreglo de filas que permite escalar de manera flexible la capacidad de colección de energía solar. 3. El sistema descrito en la reivindicación 1) el cual gracias a su construcción seccionada en partes o paneles 20, permite el ensamble de medias partes o hasta una y media veces el tamaño de los colectores solares 21, para su instalación en techos de edificios 17 donde se aprovecha una mayor cantidad de área 22 que con colectores de tamaño fijo no podría ser aprovechada para colección de energía solar. 4. El sistema descrito en la reivindicación 2) el cual se integra a un sistema de transmisión mecánica conformado por: i. Un motor eléctrico 5 de corriente directa (no restringida a esta modalidad) con reducción de tornillo sin fin y engrane helicoidal. ii. Un juego de piñones y cadena 8 como elementos de transmisión al actuador de entrada de movimiento angular. 5. El sistema descrito en la reivindicación 4) el cual permite un movimiento angular suave, sin oscilaciones y además un bloqueo automático cuando el motor de CD no está energizado. 6. El sistema descrito en la reivindicación 1) el cual requiere de manera forzosa el acoplamiento con un módulo de control electrónico 3 que permite el rastreo solar y brinda funcionalidad. Consta de los siguientes componentes: a. Un sensor de irradiación solar 4 en un arreglo tipo piramidal (no restringido a esta configuración) con al menos 2 foto-celdas o foto transistores ubicadas una posterior a la otra que miden una señal diferencial de voltaje y determinan el sentido y cantidad de movimiento del colector solar. Dicho sensor con la posibilidad de ser expandido a un segundo eje de movimiento mediante el uso de 2 celdas más en el mismo arreglo ya mencionado. b. Una foto celda capaz de detectar el nivel de radiación solar según la hora del día. c. Un dispositivo de control electrónico 3 a base de un microprocesador o microcontrolador y elementos de potencia que calculan las señales de control enviadas al actuador eléctrico de movimiento angular. d. Un algoritmo 50 embebido en el sistema descrito en el punto anterior (figura 15) que gobierna el funcionamiento del sistema electrónico y de control de rastreo solar 3. 7. El sistema definido en la reivindicación 1) el cual puede ser replicado un número indefinido de veces en arreglos de filas y columnas 15, e interconectado con un intercambiador de calor que permite una transferencia de calor mediante convección forzada para la deshidratación de algún producto 34. 8. Un intercambiador de calor de alta eficiencia para aplicaciones de deshidratación 22 de productos basado en conducción, convección y radiación como principales mecanismos de transferencia de calor, el cual cuenta con los siguientes elementos: a. Una cámara construida con materiales metálicos 32 (no restringida a estos materiales) que transfiere energía térmica proveniente de un sistema de concentradores solares 40 acoplados a un sistema de respaldo a base de combustibles fósiles 41, la energía térmica es entregada a un producto del cual se necesite remover un determinado porcentaje de humedad en su composición 34 física. b. Un aislante térmico 26 a base de fibras minerales, materiales cerámicos o poliméricos, el cual no permite la transferencia de calor del interior de la cámara hacia el exterior. c. Una tubería en forma de serpentín que conduce en su interior un fluido de alta transferencia térmica hacia la parte interna de la cámara térmica 28, dicha tubería construida a base de cobre o acero inoxidable (no restringida a estos materiales). d. Un arreglo de dos placas metálicas en paralelo 24 y 25 que transfieren energía térmica entre sí, desde un extremo a alta temperatura conectado al serpentín hasta la placa a baja temperatura ubicada en el extremo opuesto, dichas placas transfieren energía térmica al producto a deshidratar 34 y entre sí mediante el mecanismo de radiación térmica 38. e. Un arreglo de barras de alta transferencia térmica 27 construidas de acero, cobre o grafito (no restringido a estos materiales) que interconectan las dos placas paralelas entre sí, logrando una transferencia de calor por conducción entre estas y además transfiriendo el calor en su interior mediante radiación hacia el producto y las paredes dentro de de la cámara. f. Un arreglo de ventiladores 30 que funcionan a base de energía eléctrica y que al estar encendidos provocan un flujo de aire del exterior del deshidratador hacia adentro de la cámara térmica, generando así transferencia de calor mediante convección forzada al producto a deshidratar 37. g. Un arreglo de celdas termoeléctricas 29 conectadas a la placa fría del intercambiador (no restringidas a esta ubicación) y a disipadores de calor 31 que entran en contacto con el exterior del deshidratador, provocando así una diferencia de temperaturas en las celdas termoeléctricas y un flujo de calor que a su vez genera energía eléctrica. Dicha energía eléctrica con el propósito de accionar los ventiladores haciendo más eficiente al sistema. h. Un arreglo de sensores ubicados en el interior de la cámara térmica que miden la cantidad presente de humedad y se interconectan hacia un sistema de control electrónico que regula la velocidad de rotación de los ventiladores, ocasionando así el control de humedad en base a la tasa de transferencia de calor por convección hacia el producto a deshidratar. 9. El sistema descrito en la reivindicación 7) interconectado a un arreglo de concentradores solares parabólicos 40 que colectan la energía solar a alta temperatura y la transfieren a la cámara térmica del deshidratador mediante vapor o un fluido de alta transferencia térmica 45, una bomba de recirculación 42 y un condensador 43. 10. El sistema descrito en la reivindicación 7), interconectado a un arreglo de concentradores solares parabólicos 40 y además a un sistema de respaldo térmico 41 a base de combustibles fósiles como una caldera, boiler o calentador eléctrico. 11. El sistema descrito en la reivindicación 7) conectado mecánicamente a varios módulos en serie iguales formando un túnel de deshidratación de mayor longitud y capacidad energética de deshidratación. 12. El sistema descrito en la reivindicación 10) el cual incluye un sistema de transporte automático de productos 34 o conveyor, haciendo más eficiente la remoción de humedad y eficiencia de producción. 13. El sistema descrito en la reivindicación 1), el cual puede ser instalado y acoplado con más concentradores solares 1 en dos filas paralelas 61. En donde cada una de las filas 62, 63 puede ser controlada individualmente por un solo módulo de control electrónico de rastreo solar 3, el cual detecta señales provenientes de un sensor de luminosidad solar 4 ubicado en cada una de las dos filas y envía señales de control a los dos actuadores electromecánicos 5 que actual el movimiento angular de rastreo solar de cada fila. 14. El sistema descrito en la reivindicación 1) el cual se puede acoplar a un sensor de reflectividad colocado en el receptor de radiación solar 6. Dicho sensor consta de dos elementos sensitivos que conforman una referencia diferencial y pueden funcionar a base de calor o de luz solar reflejada por la superficie reflectora del concentrador solar 2. El sensor descrito tiene la capacidad de detectar el grado de ensuciamiento o cantidad de impurezas como polvo o tierra en la superficie reflectora 2 y enviar una señal de aviso al usuario a través del módulo de control electrónico, 3 para que se realice la limpieza y mantenimiento requerido. La funcionalidad descrita ofrece la ventaja de reducir costos en mantenimiento del sistema y mantener los niveles de eficiencia óptimos durante la vida útil del concentrador solar 1. 15. El sistema descrito en la reivindicación 14) en donde los sensores de temperatura o luminosidad solar envían señales que sirven de retroalimentación al sistema de control de posición solar, determinando en todo momento la cantidad de luz o energía a través de la temperatura en este receptor como una segunda referencia de la posición ideal del colector respecto a la radiación solar incidente en su superficie. |
DES HIDRA TA CION
DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
La energía es uno de los pilares de los países desarrollados y típicamente las industrias y comercios en sociedades industrializadas generan energía a base de combustibles fósiles para obtener calor de proceso. Diesel, gas LP y gas natural son combustibles utilizados en estos sectores, teniendo las empresas que sobrellevar sus constantes incrementos y volatilidad de los costos.
Existen en el mercado tecnologías para aprovechamiento de energía solar en rangos de generación de los 50 a 90 °C con colectores tipo planos y de tubos al vacío, usualmente utilizados para calentamiento de agua de uso doméstico. En el rango de 300 hasta 750 °C o más, se pueden encontrar tecnologías de concentración solar usualmente utilizadas para generar energía eléctrica mediante plantas termosolares, ubicadas en espacios grandes y abiertos como desiertos. En el rango de temperaturas que va desde 100 hasta los 300 °C existen pocas opciones de aportación energética solar, y éste es típicamente utilizado por industrias o comercios en procesos como calentamiento de agua, generación de vapor, deshidratación de productos y alimentos, entre otros. Dicho rango de temperaturas se puede alcanzar mediante concentradores parabólico-lineales que colectan la energía solar transformándola en calor útil. Una aplicación de especial interés en los niveles de temperatura mencionados (100 - 300°C) es la deshidratación de productos alimenticios a base de energía solar, que permite la preservación de vegetales, frutas, granos u otros tipos de cultivos de una manera práctica y económica al no utilizar combustibles fósiles para ello.
La invención descrita en este documento es un concentrador solar con características flexibles y modulares que permiten una fácil instalación, mayor aprovechamiento de área de captación solar disponible, menores costos en logística y transporte y gran adaptabilidad para ser instalado en techos o áreas de industrias y comercios a nivel de suelo. Aunado a la invención descrita anteriormente, se presenta también la invención de un sistema altamente eficiente para deshidratación de productos gracias al aprovechamiento de la energía térmica provista por el sol y recolectada mediante un concentrador parabólico lineal en pequeña escala, como el descrito anteriormente. El cual transfiere su energía mediante tres formas de transferencia de calor: convección, radiación y conducción hacia un intercambiador para deshidratación. El sistema de deshidratación cuenta con una alta temperatura de operación y capacidad de producción a escala industrial, lo cual productos actuales a base de energía solar no ofrecen comercialmente.
ANTECEDENTES
Actualmente existen en el mercado concentradores parabólico-lineales para diferentes tipos de aplicaciones, los cuales basan su funcionamiento en un espejo parabólico lineal que se mueve en un eje de giro, rastreando la trayectoria del sol a lo largo del día en una orientación Norte-Sur o Este-Oeste. Acoplado a la línea focal del concentrador se encuentra un receptor térmico que típicamente es un elemento tubular fabricado de acero inoxidable revestido con una superficie selectiva a la irradiación normal directa, este tubo receptor es además recubierto con un cilindro concéntrico de cristal que evita pérdidas por convección térmica. Dichos colectores se instalan en arreglos de filas y columnas dependiendo la potencia energética para la cual se calcule la planta de generación. Un fluido de alta transferencia térmica o agua es circulado por el interior del receptor, el cual absorbe la energía calorífica proveniente del sol que es reflejada por el espejo parabólico, transportando así la energía hacia un ciclo termodinámico convencional para aplicaciones como generación eléctrica, calor de proceso, refrigeración o la combinación de varios procesos. El ciclo consta de elementos como bombas hidráulicas, turbinas, condensadores, torres de enfriamiento, entre otros dispositivos. Existen en la actualidad sistemas de concentración solar para generación de energía térmica con aplicaciones de calor de proceso, sin embargo en muchas ocasiones su utilización se ve restringida para países en vías de desarrollo o que no cuentan con incentivos gubernamentales en materia de energías renovables, esto genera altos costos de instalación y puesta en marcha para las empresas. Aunado a la problemática mencionada, los fabricantes de estos sistemas imponen demandas restrictivas como: altos costos en ingeniería, supervisión, logística y mantenimiento. Es de suma importancia considerar que las tecnologías de concentración solar que existen actualmente en el mercado no presentan el suficiente grado de flexibilidad y adaptabilidad de sus capacidades de producción energética para un amplio rango de requerimientos de los usuarios, esto significa que es complicado encontrar una tecnología que con todas sus características (colector, controlador de rastreo solar y elementos termodinámicos) se adapte fácilmente a los techos o espacios de instalación y a la demanda energética de diversos tipos de usuarios. Una limitante importante a considerar respecto a sistemas de concentradores de espejo parabólico- lineal que existen actualmente es que la gran mayoría son difíciles de instalar en espacios reducidos como azoteas de industrias y comercios. Por lo regular es muy común encontrar en empresas pequeñas y medianas espacios de instalación con orientaciones poco adaptables a la trayectoria solar e irregularidades que dificultan aún más la colocación de los equipos y el mayor aprovechamiento del área de instalación a causa de la falta de flexibilidad y modularidad de las tecnologías actuales en el mercado, las cuales cuentan con medidas físicas ya predefinidas.
Con base en lo que se ha explicado en el párrafo anterior, se ha detectado la necesidad de las empresas y comercios de contar con una solución confiable, flexible, modular y de bajo costo para generación de energía térmica útil en sus procesos, sin tener que sufrir las constantes fluctuaciones en los costos de los combustibles fósiles.
Una aplicación de especial interés es la deshidratación de productos alimenticios a base de energía solar, que permite la preservación de vegetales, frutas, café y muchos otros tipos de cultivos de una manera práctica y económica.
Las tecnologías de concentración solar tienen una amplia gama de aplicaciones debido a su eficiencia en un rango elevado de temperaturas, en donde colectores planos convencionales no logran alcanzar el desempeño adecuado. Existen en la actualidad sistemas para deshidratación que utilizan energía solar, los cuales se categorizan en dos tipos: pasivos, que funcionan mediante circulación o convección natural y activos, que utilizan convección forzada para su funcionamiento. Ambas tecnologías ofrecen una alternativa sustentable, higiénica y con condiciones sanitarias bajo normas internacionales para el procesamiento de alimentos, sin representar un alto costo comparado a sistemas a base de combustibles fósiles. Sin embargo dichos sistemas no cuentan con capacidad de deshidratación suficiente para lotes grandes a nivel industrial y su temperatura de operación difícilmente alcanza los 100°C, lo cual se traduce en una menor velocidad de deshidratación de productos y por consiguiente tasas de producciones más bajas. El acoplamiento de un sistema de concentradores de espejo parabólico-lineal, ideal para su instalación en la industria, a procesos de deshidratación a nivel industrial, es una solución viable al poder suministrar los rangos de temperaturas adecuados para este proceso mediante energía solar. Es importante mencionar también que la mayoría de los sistemas de deshidratación de productos, ya sea a base de energía solar o combustibles fósiles, transfieren calor a los productos a deshidratar por medio de convección natural o forzada, no siendo este un método eficiente de aprovechamiento de energía térmica.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 es una vista isométrica del concentrador solar parabólico lineal 1, para generación de energía y deshidratación, compuesto de una superficie reflejante 2, una estructura de soporte del espejo reflector 19, un sistema de control electrónico de seguimiento solar 3, un actuador electromecánico 5, un sensor de posición solar 4, arcos de soporte trasero 7, mástiles de soporte para cada módulo 10 y un receptor de irradiación solar 6.
La figura 2 es una vista trasera del concentrador solar parabólico 1, en donde se aprecian barras transversales de soporte de tensiones 11 y costillas traseras de rigidez 7.
La figura 3 muestra una vista lateral del concentrador solar parabólico lineal.
La figura 4 muestra una vista a detalle de la superficie reflejante 2, seccionada en partes 20 iguales y simétricas además de la estructura trasera 19 de soporte de la superficie reflejante. La figura 5 muestra una vista isométrica de los elementos estructurales del concentrador solar parabólico lineal que consisten de los arcos de rigidez a la curva parabólica 7 y soportes de tensión transversales 11.
La figura 6 muestra una vista a detalle de los componentes de ensamble de elementos estructurales que consisten de pernos roscados por ambos lados 13 y tuercas con rosca interior 12.
La figura 7 muestra una vista isométrica de una fila de colectores ensamblados en serie 15 acoplados mediante chumaceras de pivote de giro 9 y pasadores de alineación 18.
La figura 8 es una vista de varias filas de colectores 15 instaladas sobre el techo de un edificio 47, las filas consisten de módulos completos 1 y mitades de cada módulo 14.
La figura 9 muestra una vista superior de filas de colectores 15 instaladas sobre el techo o azotea de un edificio 17 y rodeado por paredes 16 de seguridad utilizadas en construcción.
La figura 10 es una vista isométrica de una media sección del colector parabólico lineal.
La figura 1 1 es una vista frontal seccionada de un deshidratador solar modular tipo túnel 22, por el cual se introduce un fluido térmico en una tubería de entrada en zig-zag 23, y la misma tiene una salida 33 para el fluido, una placa inferior 24 y otra superior 25 que transmiten energía térmica entre ellas mediante barras conductoras de calor 27 hacia un producto 34 de diversa naturaleza y el calor es aislado del exterior mediante una superficie protectora interior 32 en contacto con un aislante térmico 26 y una superficie exterior 33. Se muestran también ventiladores 30 como actuadores de convección térmica, celdas termoeléctricas como transductores de calor a electricidad 29 y disipadores de calor 31.
La figura 12 es otra vista seccionada del deshidratador solar tipo túnel 22, con dibujos esquemáticos de los flujos de calor involucrados en la deshidratación de productos. Se muestra un flujo de calor por convección 37, radiación entre placas 38, radiación de las barras conductoras 27 hacia los alrededores 39 y la entrada de calor 35 junto con su respectiva salida 36.
La figura 13 es un esquema de un circuito termodinámico compuesto de un campo de colectores solares 40 en filas y columnas acoplado a un calentador de respaldo 41 a base de algún combustible fósil, un deshidratador solar tipo túnel 22, un condensador 43 y una bomba de recirculación 42. A través de los componentes se circula un fluido de transferencia térmica a baja temperatura 44 que entrega su calor a una alta temperatura 45 dentro del deshidratador 22.
La figura 14 muestra un arreglo en donde el boiler o calentador a combustible 41 funciona como súper calentador del fluido pre calentado por el campo de colectores solares 41.
La figura 15 muestra el ensamble de los componentes del sistema de actuación para rastreo solar 51, se puede ver el módulo de control electrónico 3 el cual recibe señales de luminosidad provenientes de un sensor fotoeléctrico 4. El módulo de control electrónico 3 calcula la posición requerida del actuador eletromecánico 5 y envía señales de control a este último elemento, por consiguiente el mecanismo en conjunto de colectores solares en serie (figura 7) puede girar haciendo un rastreo solar sobre un eje de rotación horizontal.
La figura 16 muestra un diagrama de flujo del algoritmo 52 utilizado para el control electrónico de rastreo solar. La figura 17 muestra un arreglo de dos filas de concentradores 61 solares junto con un módulo central de control electrónico de rastreo solar 3.
La figura 18 muestra el arreglo de dos elementos de detección o sensores de temperatura que pueden ser también sensores de luminosidad solar 65 y 66, los cuales son detectan intensidad de luz o cantidad de energía incidente sobre su superficie y envían una señal de aviso al usuario para que éste pueda dar la limpieza adecuada a la superficie reflectora 2 del concentrador solar.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Concentrador solar parabólico lineal.
La invención en cuestión consiste de un concentrador solar parabólico-lineal en pequeña escala. Su tamaño y diseño han sido creados para ser utilizados en diversas industrias y comercios, brindando la facilidad de ser instalados en los techos o áreas descubiertas de las empresas, permitiendo adaptabilidad a los requerimientos energéticos de los usuarios gracias a su configuración integral y modular de colector- controlador de rastreo solar. Además, su diseño flexible brinda la posibilidad del mayor aprovechamiento de área de instalación permitiendo así, la mayor captación de energía solar en espacios reducidos, todo esto sin representar un riesgo para los usuarios debido a inclemencias climáticas que se pudieran suscitar en la locación.
El colector solar basa su funcionamiento en el principio de la curva parabólica:
4/
Donde: /= Punto focal de la curva parabólica.
x=Distancia horizontal desde el centro.
y= Distancia vertical. La curva parabólica es extruida para crear una superficie de media caña o canal seccionada en paneles simétricos 20, construidos mediante perfiles metálicos de aluminio o acero (pero no restringido a estos materiales) que delimitan el contorno del panel y contienen travesaños estructurales que brindan mayor rigidez a cada pieza 19. Una superficie reflejante a base de lámina de aluminio (no restringida a este material) 2 con un terminado especular altamente reflejante a la luz solar es adherida al marco del panel mediante elementos sujetadores como tornillos, remaches o adhesivos especiales. Un material apropiado como reflector consiste en una lámina de aluminio con terminado especular, recubierta con un anodizado ideal para soportar exposición a la intemperie durante periodos prolongados. Es posible utilizar también como material reflejante una película polimérica y con recubrimiento en plata, laminada con pegamento sensible a la presión sobre una hoja metálica o plástica. Existe también la posibilidad de utilizar un material reflector a base de acrílico recubierto con una capa reflectora, el cual permite ser moldeado según la forma geométrica que se desee.
A manera de que el concentrador sea capaz de soportar las cargas de viento que inciden en su superficie sin presentar deformaciones, cuenta con elementos que le brindan rigidez ante la compresión y además ante la tensión que se presenta durante fenómenos climáticos, por dicha razón una estructura a base de costillas curvas 7 que ofrecen gran resistencia a la compresión y expansión mecánica de la curva parabólica y se unen entre sí por varios elementos tubulares transversales 11, los cuales brindan una excelente resistencia a la tensión y compresión transversal del colector solar. Los travesaños 11 son sujetados con las costillas 7 mediante tuercas 12 y tornillos 13 roscados por ambos lados de fácil ensamble.
Una de las propiedades fundamentales del concentrador solar es la modularidad para el diseño e instalación de sistemas con diversas capacidades de generación de energía, acoplados en serie, es posible colocar desde uno hasta ocho módulos en fila 15, unidos entre sí mediante ejes redondos de giro soportados sobre chumaceras 9 que permiten el movimiento giratorio de rastreo solar a lo largo del día en un eje Norte-Sur o Este-Oeste. Una transmisión de potencia conformada por un motor eléctrico de corriente directa (no restringido a esta naturaleza) 5 acoplado a un arreglo de tornillo sin fin y un engrane helicoidal que permite la elevación del torque y el bloqueo de movimiento cuando el motor no está energizado. El sistema de transmisión cuenta también con un juego de piñones 8 acoplados que aumentan la relación de transmisión, logrando así un movimiento más lento y preciso del rastreo solar.
Un elemento receptor de energía térmica 6 colectada por el espejo parabólico es posicionado en el punto focal de la curva parabólica, el cual es capaz de absorber dicha energía mediante un tubo cilindrico a base de cobre o acero inoxidable (no limitado a estos materiales) con una superficie selectiva altamente absorbente a la irradiación solar, concéntrico al tubo metálico se coloca un segundo tubo de borosilicato o cristal con un índice de transmisividad alto y baja reflectividad a la radiación solar. Aminorando así, aquellas pérdidas por convección causadas por el viento.
Sistema de control electrónico de rastreo solar.
Una unidad de control electrónico inteligente 3 acciona un motor eléctrico 5
(esta unidad es expandible a un segundo motor) y logra mantener a lo largo del día la orientación del concentrador solar hacia la máxima cantidad de irradiación posible. El sistema de seguimiento o rastreo solar funciona a base de corriente alterna a 120V (no restringido a este voltaje), que puede ser suministrada directamente de la compañía utilitaria o algún sistema de conversión de energía solar a eléctrica como paneles fotovoltaicos. El controlador electrónico utiliza un algoritmo de control de posición 50 programado en un elemento semiconductor llamado microcontrolador, este último es capaz de realizar cálculos para compensar la posición del sistema en base a lecturas de una diferencia de voltajes, proporcionada por un sensor fotoeléctrico en un arreglo piramidal 4. El algoritmo ha sido concebido especialmente para funcionar con el sistema mecánico descrito y es el elemento que le da la inteligencia y autonomía de colección de energía solar al sistema, visto de manera inversa, el sistema mecánico es inútil sin este algoritmo de control. El sistema de rastreo 3 y sus componentes en conjunto; sensor foto-eléctrico 4, tarjeta de control con microcontrolador y conexiones de alimentación y medición conforman un solo componente que integra un módulo de rastreo solar 51 el cual es fácil de instalar, calibrar y configurar en un colector solar parabólico-lineal de tamaño pequeño 1 ( no restringido a este tipo de colector, también se puede adaptar a sistemas fotovoltaicos o colectores solares tipo plato, entre otras aplicaciones que requieran un seguimiento solar activo de alta precisión y automático). La unidad inteligente de control electrónico de rastreo solar 3 se puede instalar en un arreglo de dos filas de colectores solares 61 como se muestra en la figura 17, el módulo de control 3 tiene la capacidad de recibir señales provenientes de una fila de hasta diez concentradores solares 62 y otra igual en paralelo 63, cada una con un sensor de luminosidad solar 4 que indica la posición ideal en un instante de tiempo en el día para cada una de las filas. Una vez que el módulo de rastreo solar 3 calcula la posición ideal de cada una de las dos filas de colectores envía señales de control eléctrico a los actuadores electromecánicos 5 ubicados en el sistema de transmisión de movimiento 8 de cada fila de colectores. Este arreglo doble de control de rastreo solar permite reducir costos de manufactura del sistema y acortar los tiempos de instalación y puesta en marcha del sistema de concentración solar.
El sistema de control de rastreo solar cuenta con dos sensores 65 y 66 de luminosidad o temperatura ubicados en el receptor de radiación solar 6, éstos sensores detectan una diferencia de temperaturas o intensidad luminosa y envían señales como una segunda retroalimentación hacia control electrónico de rastreo solar 3. Los sensores ubicados en el receptor solar 65 y 66 fungen además como instrumentos de detección de suciedad o impurezas en la superficie reflectora 2 del concentrador parabólico lineal 1, esta función permite detectar de manera acertada cuando el sistema requiere mantenimiento y limpieza en la superficie reflectora 2 y de esta manera hacer más óptimo el desempeño del sistema durante su vida útil con un menor costo de mantenimiento.
Algoritmo de control electrónico de rastreo solar
El sistema comienza en estado de reposo realizando mediciones de luminosidad solar 53, cuando éste detecta que la intensidad de luz es suficiente para comenzar a ejecutar la rutina de alineación 54 se pasa a una etapa de primer alineación o se enciende el control de posición solar 55. Una vez que se ha logrado alinear el sistema llevando el error de posición a un nivel de cero, el algoritmo entra a un ciclo continuo de medición del error de alineación 57 y control de la posición del colector solar a lo largo del día. Conforme el movimiento aparente del sol llega al atardecer y se detecta un nivel de luminosidad nocturno 59, el algoritmo se sale del ciclo de control e ingresa a un estado de retorno a la posición inicial del colector solar 60 en donde se mantiene listo y en estado de reposo 53 para comenzar al día siguiente nuevamente la rutina de control 52.
Sistema de deshidratación solar
El sistema de deshidratación solar consiste de un intercambiador que basa su funcionamiento en tres modos disponibles de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Dicho intercambiador consiste d.e una cámara térmica construida a base de materiales metálicos 32 (no restringida a estos materiales) y recubierta con un material refractario o aíslate 26 que evita pérdidas de calor al exterior. Dentro de esta cámara se encuentra un arreglo de tuberías en forma de zigzag 28 hechas de cobre o acero inoxidable (no restringido a este material) por donde se circula vapor o un aceite de alta transferencia térmica, el arreglo de tuberías conduce calor a una lámina metálica a base de cobre, acero al carbón o acero inoxidable (no restringido a estos materiales) 24 la cual a su vez esta interconectada a una placa paralela 25 ubicada en el extremo opuesto del intercambiador mediante un material de alta transferencia térmica como barras de cobre, acero o grafito (no restringido a estos materiales) 27. El deshidratador o intercambiador cuenta además con ventiladores 30 que producen una convección forzada del aire del exterior hacia su interior, ocasionando de esta manera un flujo regular de aire caliente 37 con una salida por la parte superior del sistema. El principio de funcionamiento de este deshidratador consiste en la transferencia de calor por medio de la conducción térmica de las tuberías a las placas paralelas, las cuales a su vez transfieren calor al producto a deshidratar mediante la convección producida por los ventiladores 37 y la transferencia de calor por radiación entre las dos placas 38 causada por la diferencia de temperaturas entre éstas y también radiación entre las barras conductoras y sus alrededores 39. A manera de que sea posible ocasionar convección forzada con los ventiladores, es necesario utilizar energía eléctrica, la cual en muchas ocasiones no se encuentra fácilmente disponible en un ambiente agrícola, por dicha razón el sistema cuenta con celdas termoeléctricas 29 ubicadas del lado de la placa con menor temperatura y que a su vez se conectan al exterior mediante disipadores de calor 31. El funcionamiento de las celdas consiste en absorber el calor de dicha placa, transformarlo en energía eléctrica debido al diferencial de- temperatura entre el interior y exterior del deshidratador, para así utilizar la energía eléctrica y accionar los ventiladores que producen convección forzada. El sistema de deshidratación es modular y puede ser interconectado en serie con sistemas idénticos hasta lograr la capacidad térmica requerida para la deshidratación. A manera de lograr altas temperaturas dentro de la cámara del deshidratador, este se interconecta a un arreglo de concentradores solares 40 los cuales calientan el fluido térmico y además opcionalmente a un sistema de calentamiento de respaldo a base de algún combustible fósil 41 como diesel, gas LP, gas natural, entre otros. Logrando así suplir la energía suficiente según las condiciones de operación lo requieran.