ES2321271B1 - Concentrador de energia solar. - Google Patents

Abstract

Concentrador de energía solar con doble reflexión que comprende al menos:

- un espejo primario parabólico (1) que envía a su propio punto focal f_{1}, todos los rayos que llegan del sol a su superficie,

- un espejo secundario hiperbólico (2) enfrentado con el espejo primario parabólico, que intercepta los rayos del sol reflejados por el espejo primario y los reconduce al foco efectivo f situado, entre el espejo primario (1) y el secundario (2).

- un receptor o captador de calor o de energía solar (3) para su transformación en energía eléctrica situado en el centro de la estructura del espejo primario parabólico, de manera que se mueva solidario a él.

Description

Concentrador de energía solar.

Objeto de la invención

La invención está enmarcada en el campo de la captación de Energía Solar, y el objeto de la invención es concentrarla en un punto de captación, por medio de una doble reflexión, para mejorar los rendimientos de las instalaciones y abaratar los costes.

Antecedentes

Las energías renovables son muchas y variadas y las técnicas desarrolladas para su aprovechamiento progresan cada día.

En la actualidad los concentradores solares permiten concentrar los rayos del sol en un punto para su aprovechamiento y transformación en energía eléctrica o térmica.

Los concentradores solares conocidos y mas utilizados hasta la fecha consisten en espejos parabólicos alineados, que permiten concentrar la radiación solar en un punto (foco) de cada espejo, de tal manera que un conducto, con líquido en su interior, pasa por todos los focos de cada uno de los espejos, para la obtención de la energía térmica, aumentándose considerablemente la temperatura en el conducto, obteniéndose así energía térmica que puede ser utilizada para su transformación en energía eléctrica.

Existe también lo que se conoce como "Disco Parabólico" ó "Plato Solar", consistente en un solo espejo parabólico, concentrando los rayos solares en un punto determinado o captador, que suele estar en frente del espejo parabólico, sujeto mediante una estructura, y que habitualmente es un motor tipo Stirling. Los problemas que ofrece este sistema son, uno el económico, dada la dificultad que supone construir una estructura que permita estabilizar el motor Stirling tan lejos de la parábola de espejo, teniendo en cuenta que todo el sistema está a la intemperie, y otro problema de éste sistema supone la desfocalización de los rayos solares, en el punto de recepción, es decir, el punto en el que se sitúa el motor Stirling, pues cualquier condición climatológica adversa, como el viento, puede mover el captador ligeramente y una inadecuada colocación supondrá importantes pérdidas de rendimiento.

Por otro lado, los concentradores solares con espejos planos, no son capaces de optimizar y aprovechar toda la radiación solar posible, concentrándola en un solo punto, como lo hacen los espejos parabólicos.

Descripción de la invención

La presente invención ofrece una solución novedosa a los problemas anteriormente mencionados, para el máximo aprovechamiento de la radiación solar y su transformación en energía eléctrica.

El concentrador de la invención comprende dos espejos curvos, uno parabólico y otro hiperbólico, enfrentados entre sí y orientados hacia los rayos del sol para la obtención de una doble reflexión, situándose el captador de energía solar fijo y solidario al centro de la estructura del espejo curvo, lo que aporta sencillez a la construcción, fiabilidad de concentración y estabilidad estructural.

El primer espejo tiene plato solar con una curvatura parabólica y a él le llegan los rayos solares perpendicularmente y los concentra en el segundo espejo, situado en frente y cuyo plato solar tiene una curvatura hiperbólica, que a su vez concentra los rayos en el centro de la parábola inicial, donde se instala un captador, que transforma la energía solar en energía eléctrica. El captador de energía solar, preferentemente un motor Stirling, se sitúa en el centro de la estructura del espejo primario con forma parabólica, y se mueve solidario con el movimiento de dicho espejo.

Las ventajas de la presente invención son:

- mejor enfoque de los rayos del sol, debido a que el conjunto se desplaza como una estructura estable de forma solidaria y a que la concentración de radiación se lleva al centro del espejo primario (la parábola) sobre un punto (el captador), y se produce en dos etapas,

- regular la aproximación o alejamiento del foco efectivo (f), gracias a la posición del motor Stirling, y así conseguir una mayor o menor concentración de calor en el receptor, según las necesidades.

- mejor evacuación de la energía obtenida, desde el captador, gracias al buen posicionamiento del captador en el centro de la parábola,

-al simplificar la estructura, el costo se reduce considerablemente, dando lugar a una estructura mucho más estable y fiable, a un menor precio.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra un esquema del espejo primario parabólico y las características que lo definen

La Figura 2 muestra un esquema del espejo secundario hiperbólico y las características que lo definen

La Figura 3 muestra los dos espejos primario y secundario y la distancia focal del espejo primario f_{1}

La Figura 4 muestra un esquema donde se representan los dos espejos primario y secundario y la distancia focal resultante f.

En dicha figura las referencias representadas corresponden a:

1.- Espejo primario parabólico

2.- Espejo secundario hiperbólico

3.- Receptor o captador de calor

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Descripción de una realización preferida de la invención

El concentrador de la invención comprende dos espejos uno primario parabólico (1) y otro secundario hiperbólico (2) y un receptor o captador de calor o de energía solar (3) para su transformación en energía eléctrica, como por ejemplo un motor Stirling que es un motor conocido cuya característica principal es que necesita solamente una fuente de calor externa al cilindro de dicho motor, para la generación de energía.

Los dos espejos se sitúan, tal y como se representa en la figura 4, de tal manera que el espejo primario parabólico (1) envíe todos los rayos que llegan del Sol a su superficie, a su propio punto focal f_{1} situado detrás del espejo secundario (2), siendo éstos interceptados por el espejo secundario (2), que se encuentra en su camino, y reconducidos al foco efectivo f situado un metro antes del espejo primario (1), entre éste y el secundario (2).

El procedimiento de diseño del concentrador de energía solar de la invención, comprende las etapas de

-

cálculo de las ecuaciones de los dos espejos primario (1) y secundario (2) y su posición respectiva, a partir de las ecuaciones de la parábola y de la hipérbole, considerando que el foco efectivo f se encuentra un metro antes del espejo primario (1), entre éste y el secundario (2),

-

colocación del captador (3) o absorbedor con motor Stirling (o algún otro receptor o captador de calor que transforma la energía solar en energía eléctrica) en el centro de la estructura del espejo primario parabólico, de manera fija y solidario a él, esto es función del diámetro de apertura de éste, del área del plano del absorbedor y de la radiación que éste puede aguantar o distribución del flujo que se requiere y a su vez esto será función de la calidad de los espejos.

Se ha considerado la colocación del foco f a un metro del espejo primario y entre los dos dada la hipótesis de utilización de motor tipo Stirling, como la mejor posición para que a la hora de colocar el motor, en función de la concentración de radiación que se requiera, éste se pueda colocar más adelante o atrás en torno al plano y de este modo no variar mucho el momento par generado por el peso del motor.

El desarrollo técnico o cálculo de la óptica del sistema de espejos que explica el funcionamiento del sistema de la invención, se desarrolla a continuación, incluyendo un ejemplo con unas dimensiones posibles.

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A) Cálculo de las ecuaciones de los dos espejos primario parabólico (1) y secundario hiperbólico (2) y su posición respectiva

La distancia promedio de nuestro planeta al Sol es de 149 millones de Km. aproximadamente, por lo que podemos considerar al "Astro Rey" como una fuente lumínica lo suficientemente lejana como para que la luz llegue colimada a nuestros instrumentos, es decir, con los rayos paralelos entre sí. Este punto es importante a la hora de elegir la forma que debe tener una superficie reflectante con la que se pretende focalizar la luz o, lo que es lo mismo, hacerla converger sobre un punto o una región. La única superficie cónica capaz de focalizar luz colimada es un paraboloide y lo hace sobre su foco óptico que es un punto del eje óptico sobre el cual la luz colimada y paralela a éste es focalizada. Por lo que nuestro espejo primario (1) debe ser un paraboloide.

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La ecuación de un paraboloide es:

1 \rho ^{2} = 2RA_{1}

Donde "\rho" es la distancia de todos los puntos de la superficie al eje óptico, ya que podemos considerar a ésta como una sucesión de anillos cuya distancia a dicho eje va variando (\rho^{2} = x^{2}+y^{2}), y "A1" es la distancia del centro, de cada circunferencia al vértice central del espejo, es una coordenada, si giramos el paraboloide y colocamos su eje vertical sería la altura (eje z) (ver fig. 1).

El vértice del espejo se define como el punto donde cortaría el eje de revolución del espejo, que en el presente caso en todo momento coincide con el eje óptico, a la superficie del espejo.

Otro punto importante, es dónde se va a colocar el foco del espejo primario, es decir, su distancia focal. Por razones de seguridad conviene colocar el foco detrás del espejo secundario, porque tener toda la luz concentrada en un punto en el aire a una distancia muy corta del segundo espejo puede sobrecalentarlo y porque si en algún momento algún técnico comete la locura de colocar algún objeto o parte de su cuerpo en este punto mientras el espejo está focalizado las consecuencias pueden ser muy negativas. Si colocamos el foco detrás del espejo secundario solo tendremos la luz concentrada en un punto, en el foco final resultante del sistema óptico.

Tomando la configuración de los espejos en el concentrador indicada en la figura 4, los rayos no llegan al espejo secundario (2) colimados, sino focalizados por el espejo (1), es por ello que la superficie debe ser una hipérbole. Dado que el foco del espejo (1) está situado detrás de (2) y éste es ahora el nuevo objeto que se quiere focalizar. La ecuación de la hipérbole es:

1

Donde nuevamente "\rho" es la distancia de todos los puntos de la superficie al eje óptico, "A_{2}"es la distancia del centro de cada circunferencia al vértice central del espejo secundario (2) y "a" y "b" son las siguientes relaciones:

2

Siendo "s" la distancia del objeto al vértice del espejo, en este caso el foco del espejo primario (1), y "s'" la distancia del vértice del espejo a la imagen, en este caso el foco resultante de la combinación de los dos espejos.

Según vemos en la figura 3, para el cálculo de la distancia focal f_{1} del espejo primario (1), dado que la tg\alpha es

3

y teniendo en cuenta que en este caso particular el diámetro del espejo primario D_{1} es de 8 m, el diámetro del espejo secundario D_{2} es de 1,2 m y la distancia entre espejos d es de 4 m, se puede deducir que f_{1} = 4.706 m, es decir, detrás del espejo secundario (2).

Para el cálculo del radio de curvatura del espejo primario (1) R_{1}, según la ecuación de los espejos:

4

dado que el Sol está muy lejos podemos considerar que en el \infty

s = \infty \leftrightarrow s^{f} = f

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de tal manera que se deduce que

R_{1} = 2f_{1}

R_{1} = 9.412 \ m

Por tanto, la ecuación que define la forma del espejo parabólico primario (1) queda:

\rho_{1}{}^{2}[m^{2}] = 18.824 [m] \cdot A_{1}[m]

Donde los corchetes [ ] indican las unidades en que está expresada cada parte de la ecuación.

Otra forma de escribir esta ecuación es:

z = 0.053 (x^{2} + y^{2})

\hskip6,4cm Unidades: m

Ya que \rho_{2} = x^{2} + y^{2} y la distancia del centro de cada circunferencia al vértice central del espejo es la coordenada z si colocamos los ejes de la manera conveniente.

Para el cálculo de la distancia del espejo secundario (2) al foco f, hay que tener claro previamente dónde se quieren focalizar los rayos después de atravesar el sistema. Para no concentrar los rayos justo sobre el plano del absorbedor del motor Stirling ya que esto podría provocar que el material del que están hechos se funda, se coloca el foco antes del motor Stirling, de manera que solo se tiene que retrasar la posición del motor para recibir la radiación menos concentrada.

Colocando la focal resultante a 1 m del espejo primario, tal y como se muestra en la figura 2, tenemos:

s = 0.706 [m]

s' = 3 [m]

Resultando la ecuación del espejo hiperboloide (2)

5

Donde nuevamente podemos llamar z a A_{2}.

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B) Cálculo de la reflexión a) Sobre el espejo primario parabólico (1)

La ecuación que da el ángulo de reflexión de los rayos procedentes del Sol, si el sistema apunta con su eje óptico a éste, es función del punto sobre la superficie del espejo que viene definido por la distancia (\rho) de éste al eje óptico y por la ecuación del espejo primario (1)

6

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a) Sobre el espejo secundario hiperbólico (2)

Para hallar el ángulo de reflexión (\beta) en cada punto de la superficie hay que calcular primeramente dos ángulos
(\phi, \gamma) y hacer uso de la ecuación del hiperboloide:

7

Los parámetros que describen un punto sobre esta la curva del espejo secundario (2) son \rho_{2} y z_{2}, con uno de los dos nos basta ya que se relacionan con la ecuación del hiperboloide Si además queremos saber qué relación guardan los puntos sobre el espejo secundario (2) con los del espejo primario (1) o con el ángulo de reflexión sobre el espejo primario, basta saber que la ecuación que relaciona ambos es:

\phi = 2\alpha

Claims (3)

1. Concentrador de energía solar caracterizado por comprender al menos:

-

un espejo primario parabólico (1) que envía a su propio punto focal f_{1} todos los rayos que llegan del Sol a su superficie,

-

un espejo secundario hiperbólico (2) enfrentado con el espejo primario parabólico (1), que intercepta los rayos del sol reflejados por el espejo primario y los reconduce al foco efectivo f situado, entre el espejo primario (1) y el secundario (2).

-

un receptor o captador de calor o de energía solar (3) para su transformación en energía eléctrica, situado en el centro de la estructura del espejo primario parabólico, de manera que se mueva solidario a él.

2. Concentrador solar según reivindicación 1 caracterizada porque el captador es un motor Stirling (3).

3. Concentrador solar según reivindicación 1 caracterizada porque los espejos primario (1) y secundario (2) se sitúan de tal manera que el foco f se sitúa un metro antes del espejo primario.