Resumen
La presente invención describe un concentrador solar de foco fijo que comprende una estructura base, un conjunto de superficies reflectantes rectangulares y un sistema de seguimiento solar de dos ejes. La invención se caracteriza porque la estructura base posee una geometría cónica trunca escalonada conformada por una pluralidad de anillos concéntricos, generados a partir de la revolución de un perfil transversal bidimensional en forma de L. Cada anillo presenta una configuración geométrica diseñada para el acople e inserción directa de superficies reflectantes rectangulares en su interior, donde los bordes internos del perfil actúan como topes de apoyo físicos que proporcionan mecánicamente a dichas superficies, la inclinación exacta para que los rayos solares incidentes sobre estas, converjan en una única región puntual estática del espacio denominada foco. El sistema de seguimiento de la posición solar, presenta ejes de rotación ortogonales entre sí, que se intersecan físicamente en el foco del sistema, lo cual permite emplear el eje vertical de rotación como soporte estructural directo del receptor térmico. Esta disposición geométrica y cinemática, simplifica el proceso de ensamblaje, garantiza la precisión óptica y reduce significativamente los costos de manufactura del sistema, lo cual incrementa considerablemente las aplicaciones finales de la tecnología de concentración solar.
Campo Técnico
La presente invención se desarrolla en el campo técnico de las energías renovables, específicamente en el diseño y fabricación de sistemas de concentración solar y se aplica en el sector de generación de energía, acondicionamiento térmico de fluidos y procesos en general, que requieran el aprovechamiento eficiente de la energía solar.
Antecedentes de la Invención
En la actualidad existen diversos sistemas de concentración de energía solar que se caracterizan principalmente por el tipo de superficies reflectantes, la geometría de la estructura base de dichas superficies reflectantes, el sistema de seguimiento solar y la forma de la región de concentración de energía solar. Dentro del estado de la técnica, los sistemas más eficientes son aquellos que hacen uso de espejos como superficie reflectante, con una estructura base de geometría parabólica, que efectúan el seguimiento de la posición del sol en dos planos, y que concentran la energía solar en una región puntual estática del espacio.
Ahora bien, se han desarrollado sistemas que reúnen algunas de las características de eficiencia antes indicadas, como el que se menciona en el documento US6485152B2, denominado Matrix Solar Dish, en el cual se describe la construcción de un concentrador solar parabólico mediante la flexión bajo tensión de materiales planos. Como superficie reflectante, utiliza tiras largas y estrechas de vidrio plano espejado, las cuales se flexionan en frío mediante botones tensores para adoptar curvas parabólicas precisas sin requerir un sustrato de respaldo continuo.
Así mismo, en el documento WO2015111995A1, denominado Parabolic Solar Concentrator with Flat Segmentation, se describe el diseño de un concentrador solar parabólico de segmentación plana, el cual hace uso de una matriz de facetas planas en lugar de superficies reflectantes curvas continuas. Para la superficie reflectante, el inventor propone el uso de segmentos de placas de aluminio 6061 T6. La estructura base se forma a partir de un paraboloide rígido que está constituido por 17 anillos que se segmentan en 58 partes, creando así, un soporte para miles de facetas reflectantes individuales.
A su vez, en el documento CN223709939U, denominado A smart solar cooker with automatic light tracking for pastoral áreas, se describe una cocina solar inteligente con seguimiento automático, diseñada específicamente para zonas de pastoreo y enfocada en la cocción y calentamiento de agua.
En este punto, se puede apreciar que los antecedentes descritos intentan mejorar de cierta manera: la eficiencia, el proceso de manufactura o la aplicación final de un concentrador solar de disco parabólico. No obstante, tales mejoras vienen acompañadas de ciertas limitaciones o, en general, no representan una mejora significativa respecto a lo que ya existe en la actualidad. Por ejemplo, en US6485152B2, el flexionado de vidrio plano espejado se traduce en un proceso más complejo, costoso y propenso a roturas. Por su parte, la patente WO2015111995A1 propone utilizar segmentos de aluminio sobre anillos estructurales, pero la concentración se efectuaría de manera ineficiente al no estar alineadas óptimamente en una región puntual. Asimismo, la patente CN223709939U es menos eficiente debido al uso de un plato parabólico convencional con película reflectante de alta rugosidad, y su región estática de concentración solo funcionará unas pocas horas al día.
"Por lo expuesto, la presente invención tiene como objetivo diseñar un concentrador solar que permita atenuar las deficiencias descritas en el estado de la técnica, por medio del uso eficiente de superficies reflectantes rectangulares, con una estructura base cuyo proceso de fabricación resulte simple, y que, además, logre mantener la región de concentración de energía solar en una posición estática, mientras se efectúa el seguimiento de la posición del sol en dos planos durante el día."
Descripción de la Invención
Con el objetivo de superar las limitaciones presentes en el estado de la técnica, se presenta un nuevo diseño de concentrador solar denominado concentrador solar de geometría cónica trunca escalonada y de superficies reflectantes rectangulares, el cual permite hacer uso de superficies reflectantes rectangulares planas con una elevada eficiencia óptica, mediante una estructura base de geometría parabólica cuyo proceso de fabricación resulta más simple, y que permite concentrar la energía solar en una región puntual estática del espacio, mientras se efectúa el seguimiento de la posición del sol en dos planos para cada instante del día, lo cual optimiza su versatilidad para diversas aplicaciones energéticas e industriales.
La estructura base de geometría parabólica indicada, puede describirse como una topología estructural escalonada conformada por una pluralidad de anillos concéntricos, que permite aproximar físicamente la superficie de una parábola por medio de elementos rectangulares. Esta estructura nace a partir de una secuencia de cálculos iterativa, la cual inicia con la definición matemática de una parábola a partir de las coordenadas de su punto focal, el cual representará la ubicación de la región estática y puntual del espacio en la cual se concentrará la energía solar.
Coordenadas de la superficie rectangular (Puntos E)
| Punto | x | y |
|---|---|---|
| E1 | h + 0.5L cos θ | k + 0.5L sin θ |
| E2 | h + 0.5L cos θ + E sin θ | k + 0.5L sin θ - E cos θ |
| E3 | h - 0.5L cos θ + E sin θ | k - 0.5L sin θ - E cos θ |
| E4 | h - 0.5L cos θ | k - 0.5L sin θ |
A partir de las coordenadas de la superficie rectangular, se definen las coordenadas correspondientes al perfil matriz de la estructura base, mediante las siguientes ecuaciones:
Coordenadas del perfil matriz (Puntos M)
| Punto | x | y |
|---|---|---|
| M1 | E1x - t | E1y |
| M2 | E1x - t | E1y + Em |
| M3 | E2x + w + Em | E1y + Em |
| M4 | E2x + w + Em | E3y - Em |
| M5 | E4x - Em | E3y - Em |
| M6 | E4x - Em | E4y + t |
| M7 | E4x | E4y + t |
| M8 | E4x | E3y |
| M9 | E2x + w | E3y |
| M10 | E2x + w | E1y |
La estructura base desarrollada presenta una topología cónica trunca escalonada de simetría radial, lo cual permite que su fabricación pueda efectuarse por medio de procesos de manufactura convencionales y simplificados. Así mismo, esta estructura base desarrollada permite emplear superficies reflectantes rectangulares, las cuales son significativamente más económicas que los espejos curvos tradicionales.
A partir de las coordenadas de este perfil matriz y de las coordenadas del foco definido inicialmente, se define una nueva parábola y se repite la secuencia de cálculo antes descrita, para generar nuevos perfiles, tantos como se requiera y el espacio disponible lo permita, mediante la siguiente ecuación no lineal iterativa:
Si al perfil resultante de unir los perfiles generados de la estructura base, se lo hace rotar sobre el eje de cualquiera de las parábolas definidas, entonces se genera la estructura base de geometría cónica trunca escalonada empleada en este nuevo diseño de concentrador solar.
Para lograr que la energía solar se concentre en una región puntual estática del espacio mientras se efectúa el seguimiento, se deben efectuar dos movimientos rotacionales (sobre dos ejes, uno vertical y otro horizontal). El sistema de transmisión de movimiento está configurado de tal manera que aísla mecánicamente al receptor, eximiendo al sistema de soportar su peso, lo que representa una ventaja significativa respecto a los diseños existentes.
