PATENTSCOPE no estará disponible unas pocas horas por motivo de mantenimiento en martes 19.11.2019 en 16:00 CET
Colecciones nacionales e internacionales de patentes
Parte del contenido de esta aplicación no está disponible en este momento.
Si esta situación persiste, contáctenos aComentarios y contacto
1. (WO2010086468) REFLECTOR SOLAR Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN
Nota: Texto obtenido mediante procedimiento automático de reconocimiento óptico de caracteres.
Solo tiene valor jurídico la versión en formato PDF

REFLECTOR SOLAR Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención, según lo expresa el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un nuevo reflector solar, para centrales termosolares de concentración o similares y procedimiento para fabricarlo.

Constituye uno de los elementos principales utilizado en las centrales energéticas termosolares. En ellas, se utiliza dicho elemento para captar la radiación solar directa y concentrarla sobre un sistema receptor, donde la energía radiante, a través de un proceso, se convierte en energía eléctrica apta para su utilización y/o almacenamiento. No obstante, de esta invención pueden derivarse novedosas aplicaciones en diferentes campos de la energía solar, generando una nueva gama de productos hechos a medida y en función de las necesidades, como por ejemplo pequeñas células termosolares aptas para viviendas y edificios .

El nuevo concepto de reflector es aplicable a unidades de generación eléctrica o térmica nuevas y a medida, como pueden ser:

Grandes edificios comunales Polígonos industriales Viviendas unifamiliares - Etc.

ESTADO DE LA TÉCNICA.

Los sistemas termosolares de concentración (STC) se basan en aprovechar la energía solar directa para transformarla en energía eléctrica. Estos sistemas de generación se denominan Centrales Energéticas Termosolares. En ellas se utilizan diferentes tecnologías. Entre ellas, destacan:

Sistema de colectores cilindro- parabólicos (CCP)

Sistemas de discos parabólicos o paraboloides de revolución (DP) Sistemas de receptor central o de torre (CRS)

Una central cilindro- parabólica (en adelante CCP) representa la tecnología más madura. Consiste en la recogida de la radiación solar directa a través de los espejos reflectores cilindro-parabólicos. La radiación directa se concentra en un tubo absorbente por el que circula un aceite especial que se va calentando progresivamente, consiguiendo unos 400 ° al final del lazo. Este calor es empleado para generar vapor de agua que, a través de una turbina, genera electricidad. Un colector cilindro-parabólico tiene unos 150 m. de longitud, el cual está compuesto de varios segmentos o módulos cuya longitud ronda los 12 m. Cada segmento consta de 28 espejos curvados en una de sus dimensiones, con forma de parábola, que concentra sobre su linea focal toda la radiación solar que incide en su plano de apertura.

En el estado de la técnica, el componente reflector utilizado en todas las instalaciones mencionadas está formado por espejos de vidrio de bajo contenido en hierro. Existen diferentes grosores en función de la curvatura del vidrio requerida. Sobre su cara posterior se deposita una fina película de plata protegida mediante una película de cobre y otra de pintura epoxi o laca protectora. Dependiendo del espesor del vidrio sobre el que se deposita la película reflexiva de plata, se obtienen dos tipos de espejos diferentes: de vidrio grueso (3- 5 im de espesor) y de vidrio delgado (1,5- 3 mm de espesor) . Aunque esta tecnología se considera la más madura, aún quedan por mejorar muchos aspectos, centrados fundamentalmente en la optimización del sistema, abaratar y mejorar el coste de los espejos de vidrio y de otros componentes, así como optimizar los trabajos de operación y mantenimiento. Aunque los reflectores de vidrio son los utilizados actualmente por la mayor durabilidad y reflectividad que presentan, aún no se han mejorado lo suficiente y su elevado coste de fabricación y de mantenimiento hacen que sea una tecnología aun demasiado costosa. Por otro lado, su rendimiento se ve mermado por las pérdidas de eficiencia de que adolecen. Los factores ambientales matizan el vidrio, afectando a la reflectividad de los reflectores y a la transmisividad de la cubierta de vidrio del tubo absorbente. Además, supone una gran dificultad mantener la definición óptica teórica, ya que son piezas muy grandes y débiles,^ lo que puede conllevar pérdidas considerables en la eficiencia del colector.

La tecnología de discos parabólicos (DP) o paraboloides de revolución, define un sistema de disco parabólico que consta de un reflector formado por un conjunto de espejos que conforman y aproximan la forma de un paraboloide de revolución de gran diámetro con un motor/ receptor de combustión externa emplazado en su área focal, en el cual se concentra toda la radiación solar recogida por la apertura del paraboloide.

Los discos parabólicos se construyen con membrana tensionada o con facetas que se aproximan de forma discreta a la geometría del paraboloide. La superficie reflectiva se consigue basándose en espejos de vidrio o películas reflectantes .

Actualmente esta tecnología se encuentra en fase de desarrollo. Existen prototipos que están funcionando, aunque el elevado coste, tanto de los espejos como del conjunto no los hace viables, de momento, para su introducción masiva en el mercado de la generación eléctrica. Los receptores centrales o de torre (CRS) están en fase de desarrollo. Emplean una disposición circular de grandes espejos de trayectoria individual (helióstatos) para concentrar la luz solar en un receptor central montado en lo alto de una torre, donde se produce la conversión de la energía radiante en energía eléctrica.

Los reflectores utilizados en esta tecnología son reflectores planos (aunque se investiga la aplicación de nuevos modelos) dispuestos sobre una estructura soporte, con unas distancias determinadas entre ellos. En cuanto al método de fabricación de los reflectores actuales, y las características de cada material empleado:

El método de fabricación se centra en los reflectores utilizados en las plantas cilindro-parabólicas, ya que son los que se utilizan actualmente y están más desarrollados. - El vidrio grueso, uno de los soportes-base utilizados para los reflectores, se curva en caliente para que adopte la forma parabólica que debe tener, de modo que los espejos pueden ir directamente colocados sobre la estructura metálica del colector. Cuando el espesor de vidrio es pequeño, el espejo tiene la suficiente flexibilidad como para curvarse en frió y pueden pegarse directamente sobre un soporte realizado en plancha metálica o de plástico que es la que asegura la curvatura del concentrador. Es decir, la forma cilindro-parabólico la aporta la plancha mencionada, sobre la que se pegan los espejos de pequeño espesor.

Al vidrio se le pega, por la parte posterior a la expuesta, una lámina de plata o aluminio, otra capa de cobre y otra capa de pintura epoxi o laca protectora para finalmente insertarle unas piezas cerámicas para su fijación a la estructura, la cual asegura y aporta suficiente estabilidad y rigidez, además de mantener la definición óptica del espejo. .Otros medios de soporte para la película reflectante, aunque que no se utilizan en aplicaciones industriales, son:

- Chapa metálica. Se usan chapas de aluminio pulido de alta reflectividad especular en las que el material soporte actúa a la vez de elemento reflectivo. Es de bajo coste, pero su durabilidad es baja, ya que la superficie se deteriora con mayor rapidez y por tanto, disminuye la reflectividad, además de las alteraciones ópticas generadas por las diferencias de temperatura. No se suelen usar para aplicaciones industriales de larga duración.

- Plástico. Una plancha plana obtenida por extrusión, que puede tener diferentes espesores de material plástico en la que se deposita una lamina de aluminio o plata en su cara delantera. La forma parabólica tiene que ser aportada por un soporte más resistente sobre el que se adherirá la plancha mencionada. Este también es el caso de los espejos de vidrio delgados. Este medio no presenta una alta durabilidad expuesto a la intemperie, ya que- se erosiona la superficie reflectante de una forma directa".

Los * medios de soporte descritos anteriormente (vidrio, chapa y plástico) componen los tres tipos más significativos de espejos reflectores que existen, con respecto al material.

Las características que han de cumplir los espejos reflectores son:

Características geométricas/ físicas. El reflector ha de ser una plancha rectangular de sección parabólica, conseguida mediante la termo- deformación en el caso del vidrio grueso o a través de los elementos de fijación al soporte, siendo este el caso del vidrio delgado, chapa y plástico. En todos los casos el elemento soporte de los reflectores son los que deben asegurar la definición geométrica- teórica en el tiempo. Las dimensiones aproximadas son 1,7 x 1,4 m.

Características ópticas. Las características que debe reunir la superficie reflectante son las siguientes: calidad superficial en cuanto al pulido y tensión del área de reflexión.

La superficie interior en la que se pega la lámina de aluminio, plata u otros materiales, tiene que ser totalmente tensa y que responda a la definición óptica mas exacta de una superficie cilindro- parabólica, otro aspecto que influye en el rendimiento óptico del reflector es la composición quimica del vidrio que determina su transparencia (sobre todo la mayor o menor cantidad en hierro) , además de la calidad de la superficie exterior del vidrio. Ésta ha de ser también totalmente tensa, al igual que la parte interior del vidrio donde se pega la lámina de plata o aluminio. resistencia del vidrio a la abrasión, que supone la incidencia del polvo sobre el mismo, y que lo matiza.

DESCRIPCIÓN DE IA INVENCIÓN

La invención se refiere a un nuevo modelo de espejo realizado en material termoplástico inyectado y el sistema empleado para conseguir la superficie reflectante, asi como la protección de la misma, además del método de fabricación del conjunto.

El objetivo es conseguir la reducción del alto coste económico, manteniendo el mismo rendimiento del colector o aumentándolo. Es necesario y urgente conseguir el máximo aprovechamiento de la radiación solar de forma sencilla y económica .

Un primer aspecto de la invención y el más importante se refiere al material empleado para el soporte base del reflector, realizado en termoplástico inyectado y configurado para ser acoplado en las actuales centrales termosolares de concentración. Mantiene la misma definición óptica u otra nueva, si se requiere. Su espesor puede oscilar entre 1-7 mm, sin contar los nervios de refuerzo que le dan estabilidad dimensional.

La utilización de un termoplástico está basada, además de en el precio de la materia prima, en las ventajas que ofrece, tales como su transformación en un molde de inyección. Esta forma de producción permite obtener cualquier pieza por compleja que sea en un proceso muy experimentado en la actualidad y que aporta grandes mejoras en cuanto a cadencias de producción y posibilidades de incorporación a procesos automatizados, con lo que se consiguen precios muy competitivos. Un segundo aspecto de la invención se refiere a la forma, diferente de las actuales, de conseguir la superficie reflectante. Ésta se consigue gracias a la deposición directa, en su cara vista delantera, de materiales como el aluminio, plata, cromo, acero inoxidable, etc. Los reflectores de termoplástico se introducen dentro de una campana de metalización de alto vacio, en la que mediante sublimación y deposición se lleva a cabo el proceso de revestimiento metálico. Estos tipos de procesos de metalización no constituyen ni engloban los procesos ordinarios de galvanización, ya que éstos dan menores propiedades técnicas adecuadas a las aplicaciones aqui presentes, además de ser muy contaminante y peligroso para la salud del hombre.

Durante el proceso de revestimiento, los satélites (sistemas porta-piezas) giran alrededor de la fuente de evaporación y sobre el propio eje para metalizar uniformemente también superficies complejas. El vacio asegura además una condición ideal para lograr un revestimiento perfectamente uniforme y compacto. Para materiales plásticos moldeados brillantes (también llamados "mirror-like") la deposición se produce directamente después de un tratamiento de plasma previo en la cámara de proceso, aportando un efecto espejo brillante y vidrioso.

Otro proceso de revestimiento semejante con el que se puede conseguir una adecuada superficie reflectante es la metalización a través del método de pulverización catódica en alto vacio ("sputtering") . Es un proceso en el que se construye un enlace indestructible entre la película y el substrato o base, ya que su soldadura ocurre a nivel molecular, aportando un efecto metálico de alta resistencia a la abrasión.

En tercer lugar, tras el metalizado, la superficie reflectante se protege mediante la aplicación o aplicaciones, directamente sobre la misma, de unos fluidos totalmente transparentes, y con la dureza necesaria, una vez catalizados, para soportar las inclemencias del tiempo. Para ello, en una instalación especial libre de polvo ("sala limpia") se le aplican previamente a las piezas un tratamiento especifico de preparación, antes de las aplicaciones mencionadas. Por último, se realiza un tratamiento de curado y secado, que le imprime, las características técnicas necesarias para hacer frente a los requerimientos técnicos exigidos.

De modo sintético, las principales características de la invención son:

- Realización del reflector, con cualquier definición óptica, de los tipos:

• Cilindro-parabólicos

• Paraboloide de revolución • Combinación de paraboloides de revolución con diferentes focos (multifocal)

• Superficies reflectantes tipo Fresnel

• Combinación de diferentes definiciones ópticas en el mismo reflector como parábolas, elipses, hipérbolas, cilindro- parabólicas, etc.

- Sistema de fijación a la estructura soporte mediante insertos metálicos u otros materiales sobremoldeados , que permiten una regulación exacta para conseguir la posición teórica perfecta respecto del foco, tanto en el momento del montaje inicial como en el mantenimiento de dicha posición en el tiempo, si ésta se viera modificada por agentes externos al reflector.

Aplicación directa del metalizado añadida mediante sublimación en campana de alto vacío o mediante pulverización catódica en alto vacío.

Aplicación directa de fluidos protectores sobre la superficie reflectante metalizada, de gran transparencia y dureza, que impide el deterioro de la mencionada superficie por la acción de agentes externos a lo largo del tiempo.

Reutilización del mismo espejo, una vez agotada su vida útil, con un simple decapado, lavado, secado y aplicando nuevamente el proceso descrito.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A continuación se describen brevemente las imágenes o dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y procesos descritos y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención y como un ejemplo no limitativo de ésta: Figuras IA y IB.- Muestran imágenes de un colector cilindro- parabólico.

Figura 2.- Muestra una imagen de un disco parabólico o paraboloide de revolución.

Figura 3A. - Es una imagen del nuevo reflector en termoplástico visto por su cara frontal (cara útil) .

Figuras 3B y 3C- Son unas imágenes del nuevo reflector visto por su cara posterior, en las que se ven los nervios o estructura de refuerzo, así como los elementos de fijación. Figura 3D.- Es una imagen conjunto en detalle de un elemento de fijación del reflector, inserto sobremoldeado .

Figura 4A. - Es una sección de los espesores y su disposición; aplicación de una imprimación opcional, material base (termoplástico) , deposición de material reflectante (metalizado) y aplicaciones protectoras.

Figura 4B.- Es una sección transversal donde se muestra el casquillo fijación sobremoldeado por el termoplástico .

DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA

Haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras, podemos ver que en relación con las figuras 1 y 2, se dispone de un reflector 1 con el tubo de absorción 2, todo ello soportado en la estructura metálica 3. También se representa el sistema de tuberías 4 del campo solar.

La fabricación de los actuales reflectores está condicionada a la forma de conseguir la superficie reflectante de los mismos, asi como su protección frente a agentes externos. En la actualidad, la forma más generalizada consiste en la adaptación de un espejo a las definiciones ópticas usadas, reuniendo éste unas características especiales como vidrio especifico, lámina de plata o aluminio, elementos soporte y de unión, además de unos puntos de fijación o amarre a las estructuras soporte que suelen ser de cerámica; siendo desechables una vez agotada su vida útil.

La realización del proceso anteriormente descrito supone costes de fabricación y materias primas muy elevadas, resultando un precio final del reflector muy importante y que condiciona de forma decisiva la viabilidad de los proyectos en su conjunto.

El nuevo concepto de reflector 5, objeto de la invención, tal como el mostrado en la figura 3A, resuelve los problemas más importantes del actual, como pueden ser:

Coste de las materias primas

Costes de fabricación, aportando un incremento de las prestaciones técnicas, asi como la reutilización de los reflectores una vez agotada la vida útil a un precio inferior al de fabricación inicial y con las mismas prestaciones

Este producto se puede fabricar en una célula totalmente automatizada de flujo continuo y que constarla de los elementos siguientes: - Máquina de inyección con manipulador Molde de inyección Cinta transportadora

Campanas de alto vacío para el metalizado - Cabinas para aplicación de los fluidos protectores - Elementos de control de la calidad

Embalaje

Las prestaciones técnicas del nuevo reflector, es decir, de concentración y aprovechamiento de la radiación solar, son sustancialmente superiores debido a las nuevas características que reúne:

Calidad de la superficie reflectante en cuanto a la tensión de la misma, pulido y ajuste exacto a la definición óptica empleada. El reflector actual, debido a su configuración y dimensiones no presenta la consistencia necesaria para poder soportar las tensiones que le pueda transmitir la estructura soporte, sujetas ai diferencias de temperatura, errores propios de construcción, etc. Estos aspectos alteran la definición teórica de la óptica con la consiguiente pérdida en el rendimiento. La concepción robusta del nuevo reflector asegura una estabilidad dimensional de forma autónoma y en el momento del montaje en la estructura soporte, asegurando la no alteración de la definición óptica, aspecto clave de cara al rendimiento.

Respecto de las aplicaciones que protegen la superficie reflectante, el espesor aproximado que pueden tener está en 0,5 mm, frente a los 1,5- 5 mm del vidrio. Esto supone que la desviación que los rayos solares sufren al atravesar un espesor transparente es mucho mayor en el vidrio, sufriendo así una nueva pérdida importante en su rendimiento.

Por último, un aspecto muy importante de las actuales plantas es el mantenimiento de las mismas y los costes que conlleva poder mantener su rendimiento, dado que, ante el deterioro de los reflectores, principalmente la superficie exterior del vidrio, por las inclemencias del tiempo, la única solución está en desecharlos y sustituirlos por unos nuevos. El nuevo reflector no es desechable, ante el deterioro de la superficie exterior, éste es recuperable con un simple decapado, lavado, secado y nueva aplicación del proceso de metalizado y protección, en la instalación original, consiguiendo de esta forma por un precio inferior al inicial, un nuevo espejo listo para ser utilizado con las mismas prestaciones que el original.

El reflector 5 presenta un espesor general que oscila entre

1- 7 mm, además de una estructura de nervios de refuerzo en la parte posterior que asegura la estabilidad dimensional de la definición óptica de la cara delantera (superficie reflectante) de forma autónoma (véase Fig. 3B Y 4B) .

En cuanto a la fijación del nuevo reflector 5, puede oscilar entre uno y seis puntos de fijación en los nuevos reflectores o adaptarse al número de ellos que tenga el reflector a sustituir. La forma- de las fijaciones consiste en la inserción en el molde en cada uno de los puntos, de un casquillo 6 con un agujero roscado 7. La mencionada inserción en el molde se realiza previa a la inyección del plástico, y así una vez realizada ésta, quedan sobremoldeados todos los casquillos 6 formando así parte del conjunto el material termoplástico 8 que sobremoldea

(Fig. 3D y 4B) .

Los agujeros roscados 7 de los casquillos 6 nos permiten una regulación exacta en el momento del montaje, con la introducción en los mismos de espárragos roscados y sus contratuercas, que estarían fijos a la estructura soporte 3.

La forma de conseguir la superficie reflectante (Fig. 4A) :

1° Material base 9 en termoplástico, obtenido en un1 molde de inyección con acabado de espejo en cara útil. 2° Tratamientos de preparación de la cara útil antes del metalizado (ejemplo plasma, etc.)

3° Opcionalmente una imprimación 10, en su cara útil, de un fluido que pueda optimizar la '.adhesión del .metalizado 11. 4° Deposición sobre la cara útil de un metal reflectante, mediante el proceso de introducción del reflector en una campana de alto vacío, pudiendo aplicar dos procedimientos diferentes, sublimación o sputtering, consiguiendo así una superficie de alta reflectividad. 5o Protección de la superficie metalizada mediante una o varias aplicaciones 12 de fluidos protectores especiales, que al catalizarse consiguen una alta dureza y transparencia, aplicadas en cabinas específicas, . previa introducción del reflector ya metalizado. ' 6o Operación de control de la calidad:

Control y mantenimiento del acabado, pulido espejo y tensión de la superficie base útil.

Control de la adhesión a la superficie base de la capa metalizada. - Control del sellado de las aplicaciones protectoras; adherencia a la capa metalizada y sellado en los bordes (línea límite del metalizado) .

Realización periódica en su fabricación y posterior mantenimiento de pruebas a la corrosión, vibración, niebla salina, dureza y transparencia de las aplicaciones protectoras, además de otras que se consideran adecuadas y que pueden aumentar la calidad y la optimización del producto.

La forma de industrialización conlleva su fabricación en serie en una célula totalmente automatizada y que consta de los elementos siguientes :

Máquina de inyección especifica para termoplástico . - Molde inyección para termoplástico.

Robot manipulador que sitúa los insertos en el molde y las piezas inyectadas en centrador de cinta transportadora .

- Cinta transportadora. - Opcionalmente, cabinas especificas para aplicar la imprimación, plasma, etc.

Campanas de metalización de alto vacio con satélites soporte para piezas.

Cabinas especificas para las aplicaciones protectoras.

Estación de protección y embalaje.

La reutilización del nuevo reflector una vez agotada su vida útil, con las mismas prestaciones que el original.

El nuevo reflector 5 es realizable con cualquier definición óptica:

Paraboloide de revolución

Tecnología Fresnel

Cilindro- parabólica

Combinación de paraboloides de revolución con diferentes focos (multifocal)

Elipses, hipérbolas

Combinación en el mismo reflector de todas las definiciones anteriormente mencionadas, de forma total o parcial. - Puede decirse que es la adaptación del reflector de los proyectores de los automóviles a un reflector solar .

En las figuras 3B, 3C y 3D se observa la estructura de nervios 13 de la cara posterior del receptor 5.

En un análisis comparativo con otras patentes existentes, puede establecerse que: La patente !VO 2007/ 108837 "Método para la fabricación de un reflector para colector solar o similar y producto correspondiente" sólo se refiere a una sola definición óptica (cilindro- parabólica) , además de incluir el vidrio en todas sus versiones, siendo estos aspectos las grandes diferencias con el reflector 5 que nos ocupa, además de conseguir la reflexión con la aportación de una lámina independiente de la que forma parte el material reflexivo, pudiendo ser esta lámina objeto de otra patente.

El reflector 5 de la invención no necesita el vidrio para proteger el material reflexivo y, por tanto, la eliminación de posibles accidentes en su manipulación si llega a romperse.

El metal reflexivo se aplica directamente sobre la superficie útil. No se necesita lámina. - EL material base, termoplástico inyectado, sale del molde con la definición óptica deseada y la consistencia requerida de forma autónoma, por tanto, la estructura metálica del colector 5 se simplifica, principalmente, de forma muy importante en el coste.

El reflector de la patente WO 2007/108837 "Método para la fabricación de un reflector para colector solar o similar y producto correspondiente", se compone de planchas totalmente planas, consiguiendo la definición óptica por "termoconformado" o doblando en frió y pegando posteriormente a planchas previamente termoconformadas, en ambos casos, este procedimiento no aporta la consistencia necesaria en piezas tan grandes para el mantenimiento exacto de la definición óptica, aportando esta deficiencia a la estructura del colector en el momento de la fijación.

Otro aspecto fundamental y novedoso es el coste final del producto. El nuevo reflector 5 se estima inicialmente un 40 % más económico que los actuales.

El reflector 5 puede sustituir a cualquiera de los que existen en el mercado, respetando las fijaciones, posición del tubo absorbedor en el caso del colector cilindro-parabólico, asi como los usados en las centrales de torre y los discos Stirling, disminuyendo el número de facetas, además de modificar su definición, pudiendo realizarlas como "trozos de paraboloides de revolución", con lo que puede suponer de cara al rendimiento y al precio final del conjunto.

Las definiciones de tipo "Fresnel", al realizarse en un molde de inyección como los catadióptricos de los automóviles y resultar más económico las lineas de investigación, abiertas sobre esta definición, pueden verse reforzadas de forma determinante.