Colector solar cillndrico-parabolico
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention se puede incluir en el campo tecnologico de las estructuras de soporte, mas concretamente, en el de las estructuras de soporte para colectores solares. De manera mas particular, el objeto de la invencion se refiere a un colector solar 10 cillndrico-parabolico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Los colectores solares cillndrico-parabolicos comprenden una pluralidad de modulos 15 solares cilindro-parabolicos alineados segun una direction longitudinal comun, a lo largo de la cual estan conectados consecutivamente. Cada modulo individual comprende una superficie reflectante de forma cillndrica con generatriz parabolica, y dotada a su vez de su correspondiente llnea focal en la que se concentra la radiation solar que incide sobre la superficie reflectante del colector. El colector es orientable, para efectuar un 20 seguimiento en altura del sol durante las horas de dla. A lo largo de la llnea focal se encuentra un tubo absorbedor, que contiene un fluido caloportador que es calentado por efecto de la radiacion concentrada en la llnea focal, mientras el fluido caloportador recorre el tubo absorbedor entre una entrada y una salida.
El colector comprende adicionalmente estructuras portantes, que pueden estar, por ejemplo, dotadas de brazos, sobre las que descansan los modulos. Las estructuras portantes comprenden adicionalmente un cajon estructural, comunmente denominado cajon de torsion (conocido tambien por su termino equivalente en ingles "torque box") , disenando para soportar fundamentalmente, segun se explicara a continuation, 30 esfuerzos de torsion.
El seguimiento en altura anteriormente mencionado se realiza a traves de un motor de accionamiento que acciona un giro simultaneo de todos los modulos en torno a la direccion longitudinal comun que, para mayor aprovechamiento de la energla solar, presenta generalmente una direction perpendicular al plano de la trayectoria aparente del sol (en concreto, presenta direction norte-sur).
Usualmente, entre cada dos modulos contiguos se encuentra un pilon intermedio que 5 sirve de cimentacion a los modulos y al cajon de torsion. Por otra parte, los modulos se encuentran usualmente ordenados de manera simetrica, formando dos semicolectores, uno a cada lado de un pilon central que, en general, es mas robusto, y que aloja el motor de accionamiento que proporciona el giro a los modulos. En particular, cada semicolector esta formado por 5 o 6 modulos.
Debido al peso y a las dimensiones de los colectores, el giro simultaneo de todos los modulos genera en los modulos del colector unas cargas de torsion y, por tanto, una ley de momento torsor, a lo largo de la direction longitudinal. Por otra parte, los colectores tambien estan (o pueden estar) sometidos normalmente a la action del viento incidente.
Principalmente, las cargas de viento derivadas se traducen en una solicitation de torsion y flexion sobre estas estructuras, que se anade a la anteriormente mencionada en relation al seguimiento en altura. El cajon de torsion anteriormente referido esta especialmente disenado para soportar las solicitaciones de torsion mencionadas.
Las solicitaciones que actuan en los colectores cillndrico-parabolicos producen un momento torsor que generalmente aumenta desde un valor mlnimo, en los extremos libres de los modulos mas alejados del pilon central, hasta un valor maximo en el pilon central, de modo que el momento torsor es creciente y acumulativo con la distancia existente entre el punto considerado y el extremo libre, resultando el pilon central y, en
concreto, el motor de accionamiento, un empotramiento a efectos de calculo de estructuras. Como consecuencia de lo que se acaba de explicar, la torsion resulta ser el parametro de diseno mas condicionante a la hora de dimensionar el concentrador. Es por ello que los distintos sistemas estructurales concebidos hasta el momento para las estructuras portantes de los colectores solares cillndrico-parabolicos se han centrado en
un diseno tipo `cajon de torsion y su sucesiva optimization, de modo que las solicitaciones de torsion se transmiten desde los modulos hacia el cajon de torsion.
Seguidamente se comentan brevemente tanto el funcionamiento como sistema de cargas que aparecen en las estructuras de los colectores cillndrico-parabolicos. En servicio, la
superficie reflectante enfoca hacia el sol, por medio de un seguimiento producido por el motor de accionamiento, el cual hace girar a los distintos modulos en torno a la direction longitudinal comun. Para ello, los distintos modulos estan interconectados, mediante unos medios de transmision, de tal manera que el giro se transmite entre cada dos modulos 5 contiguos.
Las cargas de viento que actuan sobre las superficies reflectantes del colector producen un momento torsor sobre el cajon de torsion, que se acumula, en cada uno de los semicolectores, desde el modulo mas exterior de dicho semicolector hasta el modulo de 10 ese mismo semicolector que es contiguo al motor de accionamiento y esta conectado a dicho motor de accionamiento. Por tanto, para cada semicolector, el momento torsor que existe en el modulo conectado al motor de accionamiento corresponde al momento torsor acumulado a lo largo del resto de modulos del semicolector.
Es claro que las tensiones mayores se producen en los modulos mas alejados del extremo libre y, por tanto, mas cercanos al motor de accionamiento, estando el resto de modulos, mas cercanos al extremo libre, sobredimensionados, debido al modo de funcionamiento de estos sistemas (ya que todos los modulos, por simplicidad, se fabrican iguales, los mas alejados del motor de accionamiento estan sobredimensionados pues 20 soportan menor torsion).
Para proteger la estructura de los colectores en condiciones de viento intenso, cuando el viento alcanza una determinada velocidad, los colectores se disponen en una determinada posicion de seguridad en abatimiento, que es aerodinamicamente mas 25 favorable, lo que provoca que los colectores esten desenfocados respecto del sol y, por tanto, fuera de servicio durante el periodo de tiempo que dura la eventualidad. En la posicion de seguridad en abatimiento, el colector esta orientado generalmente en una position polar de -30° en relation con un plano horizontal. El estado de cargas de torsion en posicion de seguridad determina el punto de diseno de la estructura del colector.
La configuration de un sistema de colectores solares cillndrico-parabolicos que se acaba de describir es ampliamente utilizada en el sector. Presenta sin embargo, el inconveniente de que los modulos que forman el colector que se encuentran mas alejados del pilon central estan estructuralmente aprovechados de manera menos
eficiente que los mas cercanos al pilon central.
El solicitante conoce la solicitud de patente estadounidense US 2009/0095283 A1 (Curtis et al.) que va en la llnea de diseno de mecanismos que permitan descargar parte del 5 momento torsor acumulado, de tal forma que el momento torsor de calculo sea menor, con un consecuente ahorro en el coste de las estructuras de colectores cillndrico- parabolicos. En concreto, en la solicitud US 2009/0095283 A1 se plantea un mecanismo de frenado en los extremos de cada modulo, de tal forma que, cuando el colector se encuentra en position de seguridad en abatimiento, el mecanismo bloquea el giro de los
distintos modulos, absorbiendo al menos parte de los esfuerzos de torsion provocados por la restriction de evitar el giro. Con este mecanismo, se reducen drasticamente las tensiones de torsion que actuan sobre la estructura portante. No obstante la invention planteada en US 2009/0095283 A1 presenta dos inconvenientes principalmente:
- El mecanismo de bloqueo solo actua en la posicion de abatimiento. Aunque en esta
posicion es donde se producen las mayores tensiones, el dimensionamiento del colector obtenido para esta posicion puede que se encuentre del lado de la inseguridad en otras posiciones mas favorables a priori (en servicio) pero en las que no actuarla el mecanismo de bloqueo.
- En posiciones de servicio del colector, la estructura serla mucho mas deformable que una estructura dimensionada sin el mecanismo de bloqueo, por lo que la optica del sistema y el rendimiento global se podrla ver comprometido.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion, tal como se describira seguidamente, describe un colector solar cillndrico-parabolico que incorpora un reductor de torsion, para reducir el momento torsor soportado por al menos uno de los modulos del colector.
El reductor de torsion de acuerdo con la presente invencion esta basado en que, debido a condicionantes constructivos y funcionales, un cajon de torsion como el mencionado en los antecedentes presenta una rigidez torsional sustancialmente menor que la rigidez axial. Aprovechando dicha caracterlstica, el reductor de torsion se caracteriza por que
genera en cada modulo del colector solar unas restricciones cinematicas que fuerzan al colector a ser desplazado axialmente en la direction longitudinal de manera simultanea al giro de dicho colector en torno a dicha direccion longitudinal, obligando al colector a describir una trayectoria helicoidal, lo que implica, segun se explicara mas adelante, una 5 estructura menos deformable, asl como permite descargar consecutivamente al menos parte del momento torsor en cada uno de los modulos.
El colector de la invention comprende:
- una pluralidad de modulos solares cillndrico-parabolicos, consecutivamente alineados y 10 conectados, a lo largo de una direccion longitudinal comun;
- una estructura portante, para soportar los modulos, estando dicha estructura portante dotada, por ejemplo, de brazos;
- un cajon de torsion, comprendido en la estructura portante, para resistir esfuerzos, fundamentalmente esfuerzos de torsion y flexion, segun se explicara mas adelante;
- un motor de accionamiento, para proporcionar a todos los modulos simultaneamente un
giro a lo largo de la direccion longitudinal, para efectuar un seguimiento solar en altura;
- una pluralidad de pilones intermedios, ubicados entre cada dos modulos contiguos, que constituyen elementos de cimentacion que sirven, a los modulos y a la estructura portante, de soporte estructural sobre el suelo; y
- medios de transmision ubicados entre cada dos modulos contiguos, para vincular entre
si dichos modulos contiguos, permitiendo la transmision de un giro, y de esfuerzos de torsion, en torno a la direccion longitudinal.
De manera preferente, los modulos se encuentran usualmente ordenados de manera 25 simetrica, definiendo semicolectores, a ambos lados de un pilon central, que es generalmente mas robusto que los pilones intermedios, y que aloja el motor de accionamiento.
El reductor de torsion de la presente invencion esta montado en al menos uno de los 30 pilones (preferentemente en varios de los pilones intermedios y mas preferentemente en todos los pilones) de un colector como el descrito anteriormente. La mision de dicho reductor de torsion es absorber al menos una parte del momento torsor al que esta sometido el colector, ademas de reducir la deformabilidad del propio colector correspondiente a al menos uno de los colectores conectados por el pilon considerado.
Para poder instalar el reductor de torsion, el colector adicionalmente incorpora medios de acoplamiento, que estan localizados en la union entre aquellos modulos en los que se instala dicho reductor, donde los medios de acoplamiento comprenden respectivos 5 tramos roscados para facilitar el desplazamiento helicoidal de los modulos.
Como consecuencia de la mayor rigidez axial en relacion a la rigidez torsional, se limitan los desplazamientos axiales del cajon de torsion y, consecuentemente, el giro (y los esfuerzos de torsion) del cajon de torsion, en virtud del movimiento helicoidal impuesto.
De este modo, el momento torsor soportado por cada modulo y como consecuencia el de todo el colector se vera reducido en un valor que depende, por un lado, del esfuerzo de torsion soportado por cada reductor de torsion, y por otro, de la relacion existente entre la rigidez axial y la torsional del cajon de torsion.
De manera mas concreta, el reductor de torsion comprende unos medios de fijacion y un dispositivo de guiado. Los medios de fijacion estan configurados para vincular, preferentemente, de manera solidaria, el reductor de torsion al pilon considerado. Por su parte, el dispositivo de guiado comprende un cuerpo roscado, en correspondencia con el 20 tramo roscado de los medios de acoplamiento correspondientes, para vincular el modulo al tramo roscado, de tal manera que proporcione al modulo un desplazamiento a lo largo de la direccion longitudinal simultaneamente al giro del colector correspondiente al seguimiento solar en altura. De manera preferente, el tramo roscado es un vastago roscado exteriormente, asl como el cuerpo roscado es un cuerpo hueco roscado 25 internamente para alojar el tramo roscado.
Asimismo, de manera preferente, el dispositivo de guiado esta constituido por un husillo de bolas, que comprende, ademas del cuerpo roscado interiormente, rodamientos de bolas que facilitan un movimiento relativo helicoidal entre el dispositivo de guiado y el 30 tramo eje roscado.
De acuerdo con lo que se acaba de explicar, se deduce que el momento torsor soportado por cada modulo y como consecuencia el de todo el colector se vera reducido en un valor que depende, por un lado, de la relacion existente entre la rigidez axial y la torsional del cajon de torsion y, por otro lado, del esfuerzo de torsion soportado por el reductor de torsion, que a su vez depende de los parametros que definen la union roscada entre el cuerpo roscado y el tramo roscado.
De acuerdo con lo que se acaba de explicar, la presente invention proporciona un reductor de torsion para colectores solares cillndrico-parabolicos, que permite descargar los modulos de una parte importante del momento torsor, tanto en condiciones de servicio como en la position de seguridad en abatimiento.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de 15 dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Muestra una vista en perspectiva posterior de un colector solar cillndrico- parabolico de acuerdo con la presente invencion.
Figura 2. Muestra una vista en perspectiva frontal de uno de los modulos del colector solar cillndrico-parabolico representado en la figura 1.
Figura 3. Muestra un detalle donde se aprecian la configuration y la localization del 25 reductor de torsion que caracteriza la presente invencion.
Figura 4. Ilustra el efecto proporcionado por el reductor de torsion, a traves de dos graficas comparativas.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Seguidamente, se facilita, con ayuda de las figuras 1 a 4 adjuntas anteriormente referidas, y en relation a dichas figuras, una explication detallada de un ejemplo de realizacion preferente de la presente invencion.
Las figuras representan un colector solar de tipo cillndrico-parabolico, que esta compuesto de una pluralidad de modulos (1) solares cillndrico-parabolicos dotados de superficies reflectantes (20) , donde los modulos (1) estan consecutivamente alineados, 5 y conectados, a lo largo de una direction longitudinal comun. Asimismo, cada modulo (1) del colector incorpora adicionalmente, ver figura 1, una estructura portante (2) , dotada de brazos (15) , para soportar las superficies reflectantes (20). Se pueden contemplar otras posibilidades distintas de los brazos (15) para soportar las superficies reflectantes (20) , aunque a modo de ejemplo se ha optado por representar en las 10 figuras la option de emplear brazos (15). La estructura portante (2) comprende adicionalmente un cajon de torsion (3) destinado a resistir fundamentalmente solicitaciones de torsion, segun se explicara mas adelante. El colector comprende adicionalmente una pluralidad de pilones intermedios (4) que cimentan al suelo (6) , y soportan, los modulos (1) y la estructura portante (2).
Los modulos solares cillndrico-parabolicos (1) se encuentran dispuestos consecutivamente de manera alineada de acuerdo con la direccion longitudinal antes referida, que de manera preferente, coincide esencialmente con la direccion norte-sur. Con el fin de efectuar un seguimiento solar en altura, el colector incorpora ademas un 20 motor de accionamiento (8) para accionar el giro simultaneo, en torno a la direccion longitudinal, de todos los modulos (1) , que se encuentran dispuestos simetricamente a ambos lados del motor de accionamiento (8).
El colector tambien incorpora un pilon central (5) , mas robusto que los pilones 25 intermedios (4) , y que soporta el motor de accionamiento (8).
El colector comprende adicionalmente medios de transmision (17) ubicados entre cada dos modulos (1) contiguos, para vincular entre si dichos modulos (1) contiguos, permitiendo la transmision de un giro, y de esfuerzos de torsion, en torno a la direccion 30 longitudinal. A modo de ejemplo meramente ilustrativo, la figura 3 ilustra unos medios de transmision (17) que adoptan la configuration de chapas de union.
El colector incorpora adicionalmente reductores de torsion (10) , montados en los pilones (4, 5) , para absorber al menos parte del momento torsor existente en los
modulos (1) , segun se explicara seguidamente. Cada reductor de torsion (10) fuerza a su correspondiente modulo (1) a ser desplazado axialmente en la direction longitudinal de manera simultanea al giro de dicho modulo (1) en torno a dicha direccion longitudinal, obligando al modulo (1) a describir una trayectoria helicoidal.
En correspondencia, el colector adicionalmente incorpora medios de acoplamiento (7) vinculados a los modulos (1) , donde los medios de acoplamiento (7) comprenden respectivos tramos (9) roscados para facilitar el desplazamiento helicoidal de los modulos (1). De manera preferente, los tramos (9) son vastagos roscados exteriormente, y 10 orientados segun la direccion longitudinal, que preferentemente estan rlgidamente fijados a sus correspondientes modulos (1) , ya sea directamente, o bien a traves de del cajon de torsion (3) o de algun otro componente la estructura portante (2). De manera aun mas preferente, los vastagos de los diferentes modulos (1) son colineales, por lo que definen una unica direccion de acoplamiento, que en general es coincidente con la direccion 15 longitudinal.
El reductor de torsion (10) representado en las figuras comprende un dispositivo de guiado (12) fijado al correspondiente pilon (4) que conecta dos modulos (1) contiguos. Se prefiere un dispositivo de guiado materializado en un husillo de bolas, donde el husillo 20 de bolas comprende:
- un cuerpo (13) hueco roscado interiormente, en correspondencia con el correspondiente tramo (9) roscado de los medios de acoplamiento (7) , para alojar dicho tramo (9) , de tal manera que el cuerpo (13) proporciona al modulo (1) un desplazamiento axial a lo largo
de la direccion longitudinal simultaneamente al giro del colector (1) en torno a dicha direccion longitudinal, y
- rodamientos (no representados) de bolas que facilitan un movimiento relativo helicoidal entre el cuerpo (13) y el tramo (9).
Cuando, por action del motor de accionamiento (8) y/o de las cargas de viento, se produce un giro de un modulo (1) concreto segun la direccion longitudinal, el tramo (9) gira respecto del cuerpo (13) , con lo cual el cuerpo (13) obliga dicho tramo (9) a mantener una determinada trayectoria helicoidal respecto de dicho cuerpo (13) , lo cual implica
simultaneamente un desplazamiento axial del modulo (1) a lo largo de la direction longitudinal. Puesto que el cajon de torsion (3) presenta una rigidez torsional sustancialmente mas reducida que la rigidez axial, el desplazamiento axial esta muy limitado, lo cual a su vez, en virtud del movimiento helicoidal impuesto, limita el giro y, por 5 tanto, los esfuerzos de torsion, en el modulo (1) considerado. Como consecuencia, se produce una descarga de esfuerzos de torsion en el modulo (1) , es decir, una diferencia entre los esfuerzos de torsion que habrla soportado el modulo (1) en ausencia del reductor de torsion (10) y los esfuerzos de torsion que realmente soporta con el reductor de torsion (10) incorporado. Esta diferencia constituye el esfuerzo de torsion que debe 10 resistir el reductor de torsion (10).
En el ejemplo representado en las figuras, cada modulo (1) incorpora de un eje flsico (16) orientado en direccion longitudinal, respecto del cual se produce el giro de dicho colector (1) por action del motor accionador (8) y, en su caso, de las cargas de viento. En este 15 caso, el tramo (9) correspondiente a los medios de acoplamiento (7) asociados a dicho modulo (1) esta configurado en un extremo del eje flsico (16).
En la figura 4 se muestra conceptual y cualitativamente el efecto, sobre el momento torsor, de instalar un reductor de torsion (10) de acuerdo con la presente invention en 20 cada uno de los modulos de un colector solar cillndico-parabolico que comprende doce modulos (1) montados simetricamente a ambos lados del motor accionador (8). Por simplicidad, solo se muestran los seis modulos (1) montados a uno de los lados del motor accionador (8). En concreto, la grafica superior de la figura 4 muestra la distribution del momento torsor a lo largo de los modulos (1) , en condiciones de servicio en ausencia de 25 reductores de torsion (10). Por otro lado, la grafica inferior, en dientes de sierra, representa, el momento torsor en condiciones de servicio cuando estan montados los reductores de torsion (10). Se observa que la presencia de los reductores de torsion (10) provoca sucesivas descargas de momento torsor en cada uno de los modulos (10) , lo que provoca que en terminos generales las tensiones de diseno producidas sean 30 apreciablemente menores que en ausencia de los reductores de torsion (10).
Para evitar colisiones entre diferentes componentes estructurales del colector y de los modulos durante el funcionamiento, se prefiere que el tramo (9) y el cuerpo (13) esten roscados de acuerdo con una rosca helicoidal con un paso comprendido entre el 50% y
el 75% del espacio libre existente entre modulos (1) contiguos.
Considerese, a modo de ejemplo meramente ilustrativo, un colector usualmente empleado que comprende, dispuestos simetricamente a ambos lados del motor de 5 accionamiento (8) , doce modulos (1) de catorce metros de longitud cada uno, y que esta dotado de un cajon de torsion (3) de seccion circular hueca de aproximadamente 25-35 cm de diametro y aproximadamente 2-4 cm de espesor. En este caso, se obtiene una reduction de aproximadamente un 40% en los valores de momento torsor maximo en un modulo (1) individual cuando el tramo (9) y el cuerpo (13) estan roscados de acuerdo con 10 una rosca helicoidal con un paso de entre 15-50 cm.
Puesto que la tendencia predominante en la actualidad es que los modulos (1) de un mismo semicolector sean accionados a traves del motor de accionamiento (8) de manera solidaria, se prefiere que exista un reductor de torsion (10) para cada uno de los modulos 15 (1).