ES2231026A1 - Hexapod type positioner for solar tracking of solar concentrators - Google Patents

Hexapod type positioner for solar tracking of solar concentrators

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Miguel Sanchez Martin
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Abstract

Hexapod type positioner designed and conceived for its use as positioning means for solar tracking of solar concentrators (1), comprising means of fastening to the ground, hinge joints (3) for coupling between actuators (2) and means of fastening to the ground, wherein for the design and dimensioning of the hexapods, the contour characteristics are taken into account such as the size and weight of the concentrator, as well as, the maximum stresses of kinematic and dynamic type, data which influence the design parameters of the hexapod, such as the radius of the circumference wherein the hinge joints of the lower and upper platform are located, the distance between hinge joints (3) of the lower and the upper platform, the length of the actuators (2) and the travel of the actuators (2).

Description

Posicionador tipo hexápodo para seguimiento solar de reflectores solares.Hexagon type positioner for solar tracking of solar reflectors.

Objeto de la invenciónObject of the invention

Es objeto de la presente invención el acoplamiento de un posicionador multieje (tipo hexápodo) integrado a un sistema concentrador solar (parabólico, helióstato, discos,...) para seguimiento solar.The object of the present invention is the coupling of an integrated multi-axis positioner (hexapod type) to a solar concentrator system (parabolic, heliostat, disks, ...) for solar tracking.

Caracteriza a la presente invención la aplicación de mecanismos tipo hexápodos como medio de posicionamiento de reflectores solares y de seguimiento del sol, lo que permite una mayor rigidez que otros sistemas, consiguiendo un apuntamiento muy preciso. Por otro lado, soporta mayores cargas permitiendo así posicionar reflectores más grandes. Además mejora los puntos de soporte del reflector lo que minimiza los errores de apuntamiento debidos a las deformaciones del mismo y optimiza la posición de anclaje del concentrador al hexápodo.Characterizes the present invention the application of hexapod type mechanisms as a means of positioning solar reflectors and sun tracking, allowing a greater rigidity than other systems, getting a very good aim precise. On the other hand, it supports higher loads thus allowing position larger reflectors. It also improves the points of reflector support minimizing pointing errors due to deformations thereof and optimizes the position of anchoring of the concentrator to the hexapod.

El posicionador tipo hexápodo objeto de la invención es un posicionador de fácil transporte, de fácil montaje y de fácil mantenimiento.The hexapod type positioner object of the invention is an easy transport, easy assembly positioner and easy maintenance.

El posicionador admite diferentes sistemas de control (hidráulico, eléctrico, electrónico, neumático, etc...)y actuadores diversos (neumáticos, eléctrico, hidráulicos, etc.) de los ya existentes en el mercado, lo cual añade versatilidad en su diseño.The positioner supports different systems of control (hydraulic, electric, electronic, pneumatic, etc ...) and various actuators (pneumatic, electric, hydraulic, etc.) of those already existing in the market, which adds versatility in its design.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los concentradores solares y de forma más particular de los sistemas de seguimiento solares, o posicionadores.Therefore, the present invention is circumscribes within the scope of solar concentrators and more particular form of solar tracking systems, or positioners

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Existen diferentes sistemas de generación de energía eléctrica mediante la tecnología de concentración solar. Pudiéndose diferenciar por el método de concentración, sistema de seguimiento, factores de concentración, temperaturas conseguidas, etc.There are different systems for generating Electric power through solar concentration technology. Being able to differentiate by the method of concentration, system of monitoring, concentration factors, temperatures achieved, etc.

Entre estos sistemas se encuentran los sistemas parabólicos lineales que concentran la luz a lo largo de una línea en la que se encuentra un tubo con el fluido de trabajo de la máquina térmica. Otro tipo de concentradores son los helióstatos, en los cuales se dispone un campo de reflectores que concentran la luz en un punto fijo de una torre situada a determinada distancia. Por otro lado existen sistemas de disco que concentran la luz en un punto mediante un disco con la curvatura de un paraboloide. Finalmente existen otros sistemas de concentración que son utilizados en aplicaciones puntuales como son el sistema de doble reflexión y el sistema de Fresnel lineal.Among these systems are the systems linear parabolic that concentrate the light along a line in which a tube with the working fluid of the thermal machine Another type of concentrators are heliostats, in which a field of reflectors that concentrate the light at a fixed point of a tower located at a certain distance. On the other hand there are disk systems that concentrate the light in a point by a disk with the curvature of a paraboloid. Finally there are other concentration systems that are used in specific applications such as the double system Reflection and the linear Fresnel system.

De estos sistemas, el sistema de helióstato es el que presenta mayores perspectivas de futuro para la generación de energía en grandes cantidades mientras que el sistema de disco parabólico es el que mejores perspectivas presenta para la generación de energía de forma puntual y autónoma.Of these systems, the heliostat system is the which presents greater future perspectives for the generation of energy in large quantities while the disk system parabolic is the one with the best prospects for power generation in a timely and autonomous way.

Un punto común a cualquier sistema de concentración solar es la necesidad de hacer un seguimiento del disco solar con relativa precisión y de forma autónoma. Los sistemas de seguimiento más comunes empleados por los concentradores, son los sistemas de tipo "T" permitiendo girar en Acimut y en Elevación. Esto se consigue mediante sendos motores rotativos dispuestos ortogonalmente en un pedestal rígido.A common point to any system of solar concentration is the need to track the solar disk with relative precision and autonomously. The most common monitoring systems used by concentrators, are the "T" type systems allowing to rotate in Azimuth and Elevation. This is achieved through two engines Rotary arranged orthogonally on a rigid pedestal.

La eficacia de cualquier sistema de concentración solar depende directamente del tamaño del reflector lo que crea la necesidad de aumentar dicho tamaño si se quieren desarrollar plantas generadoras con suficiente eficiencia. Sin embargo, los sistemas de seguimiento anteriormente descritos presentan limitaciones en cuanto a su rigidez y su integridad estructural para tamaños de reflectores superiores a 100 m2. Presentan problemas de apuntamiento, enfoque y fatiga resultado de deformaciones excesivas originadas por el viento y por su propio peso. Estas limitaciones obligan a aumentar el número de sistemas reflectores en los campos de helióstatos incrementando los costes de instalación y mantenimiento.The effectiveness of any concentration system solar depends directly on the size of the reflector what creates the need to increase this size if they want to develop generating plants with sufficient efficiency. However, the tracking systems described above present limitations regarding its rigidity and structural integrity for reflector sizes greater than 100 m2. Present pointing, focus and fatigue problems resulting from excessive deformations caused by the wind and its own weight. These limitations force to increase the number of systems reflectors in heliostat fields increasing costs of installation and maintenance.

En algunas ocasiones se emplean los sistemas tipo cuna que permiten el movimiento de elevación, mientras que a su vez todo el sistema puede girar sobre una plataforma.Sometimes type systems are used cradle that allow lifting movement while in turn The whole system can rotate on a platform.

Este tipo de sistema de seguimiento requiere de instalaciones de obra civil muy voluminosas y costosas habiéndose aplicado en casos muy puntuales, más bien con carácter experimental.This type of tracking system requires civil works facilities very bulky and expensive having applied in very specific cases, rather with character experimental.

Pese a que los sistemas anteriormente descritos representan la forma más sencilla de seguimiento, la forma de sujeción no es buena desde un punto de vista estructural, ya que por sus propias características constructivas no permite minimizar las deformaciones por flexión de la parte reflectora, presentando malas prestaciones frente a las cargas debidas al propio peso del reflector y a las fuerzas aerodinámicas, provocando un descentramiento del sistema.Although the systems described above they represent the easiest way to track, the way to clamping is not good from a structural point of view, since due to its own constructive characteristics it does not allow to minimize flexural deformations of the reflecting part, presenting poor performance against loads due to the weight of the reflector and aerodynamic forces, causing a system runout

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención, es el de superar los anteriores inconvenientes, de rigidez, de integridad estructural, de deformaciones excesivas, de limitaciones de tamaño, de problemas de fatiga y enfoque, empleando para ello un posicionador tipo hexápodo, consiguiendo unos sistemas de posicionamiento más robustos, simples conceptualmente, que presentan un apuntamiento muy preciso, una mayor rigidez, permiten mejorar el enfoque del concentrador. Es un sistema de bajo peso con una cimentación sencilla, también permite soportar mayores cargas de momento, por presentar una zona de actuación mayor.Therefore, the objective of this invention is to overcome the above drawbacks of rigidity, structural integrity, excessive deformation, of limitations of size, fatigue and focus problems, using for this a hexapod type positioner, getting some systems of positioning more robust, conceptually simple, than they have a very precise aim, greater rigidity, allow Improve the focus of the concentrator. It is a low weight system with a simple foundation, also allows to bear greater loads for now, for presenting a larger area of action.

El sistema objeto de la presente invención permitiría aumentar el tamaño de los reflectores de helióstatos mejorando el rendimiento de los mismos. De la misma manera permitiría reemplazar a los posicionadores tipo cuna para los sistemas de disco concentrador disminuyendo los costes de obra civil de los mismos. También permitiría el rendimiento mayor de un campo de helióstatos al permitir una mayor instalación de elementos reflectivos, ya que por el empleo de los hexápodos se permite una mayor densidad de equipos por unidad de área, al controlar de forma optima la generación de sombras.The system object of the present invention would allow to increase the size of the heliostat reflectors improving their performance. In the same way would allow to replace the cradle type positioners for hub disk systems reducing construction costs civil of the same. It would also allow greater performance of a heliostat field by allowing greater installation of elements reflective, since the use of hexapods allows a higher density of equipment per unit area, when controlling Optimum shadow generation.

Se conocen hexápodos como los mostrados en la solicitud de patente WO 02/097920, donde se describe un hexápodo para apuntamiento de antenas, de telescopios o de dispositivos ópticos de medida o de telecomunicación. Pero en ningún caso se hace mención alguna de la utilización de los hexápodos como medios de posicionamiento y soporte de los reflectores solares, debido a las complejas solicitaciones y requerimientos técnicos a los que estarían sometidos en el caso de aplicaciones solares del tamaño estudiado en esta propuesta.Hexapods are known as those shown in the patent application WO 02/097920, where a hexapod is described for pointing antennas, telescopes or devices Optical measurement or telecommunication. But in no case will makes any mention of the use of hexapods as means of positioning and support of solar reflectors, due to the complex solicitations and technical requirements to which would be subject in the case of solar applications of the size studied in this proposal.

Nadie, ha definido las características estructurales de diseño que deben presentar los hexápodos para poder soportar tanto los requerimientos cinemáticos como dinámicos de los reflectores, como las condiciones de contorno, como para emplear un hexápodo como medio de posicionamiento de un reflector que supere los anteriores inconvenientes.No one has defined the characteristics structural structures that must be presented by hexapods to be able to support both kinematic and dynamic requirements of the reflectors, such as boundary conditions, as for use a hexapod as a means of positioning a reflector that overcomes the previous inconveniences.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

El objetivo de la presente invención es el acoplamiento de un posicionador multieje (hexápodo) integrado a un sistema concentrador solar para el seguimiento de la trayectoria del sol, especialmente diseñado para el soporte y posicionamiento de reflectores solares.The objective of the present invention is the coupling of a multi-axis positioner (hexapod) integrated to a solar concentrator system for track tracking from the sun, specially designed for support and positioning of solar reflectors.

El hexápodo está diseñado de acuerdo a los requerimientos técnicos a los que se va a ver sometido. Los parámetros básicos empleados para el diseño del hexápodo son:The hexapod is designed according to the technical requirements to which it will be subjected. The Basic parameters used for the design of the hexapod are:

--
El radio de la circunferencia donde están situados los centros de las rótulas de la plataforma inferior.The radius of the circumference where the centers of the kneecaps are located the lower platform.

--
El radio de la circunferencia donde están situados los centros de las rótulas de la plataforma superior.The radius of the circumference where the centers of the kneecaps are located the upper platform.

--
La distancia entre las rótulas de la plataforma inferior.The distance between the kneecaps of the lower platform.

--
La distancia entre las rótulas de la plataforma superior.The distance between the kneecaps of the upper platform.

--
La longitud de los actuadores en posición nominal.The length of the actuators in nominal position.

Para el diseño de un hexápodo es usual el fijar la relación entre los radios de las plataformas con las condiciones de contorno, giros máximos, resoluciones y carreras, para luego ver la influencia de otros como la distancia entre rótulas o el centro de rotación.For the design of a hexapod it is usual to fix the relationship between the radios of the platforms with the conditions contour, maximum turns, resolutions and runs, then see the influence of others such as the distance between kneecaps or the center of rotation

El procedimiento de diseño de un hexápodo los pasos a seguir son los siguientes.The design procedure of a hexapod Steps to follow are as follows.

--
Determinación de las condiciones de contorno desde un punto de vista geométrico, cinemático y de cargas.Determination of boundary conditions from a geometric point of view, kinematic and loads.

--
Las condiciones de contorno geométricas estarán determinadas por los puntos de interface de la plataforma superior, inferior y la envuelta máxima del mecanismo. En el caso de un hexápodo para aplicaciones solares, los puntos de interface de la plataforma superior están determinados por los puntos de soporte que minimizan las deformaciones del reflector debido a su propio peso.The conditions of geometric contours will be determined by the points of top, bottom and maximum envelope platform interface of the mechanism. In the case of a hexapod for solar applications, the interface points of the upper platform are determined by the support points that minimize the deformations of the reflector due to its own weight.

--
Las condiciones de contorno cinemáticas están definidas por el rango de movimientos que se quiere obtener con el sistema posicionador. En el caso de un hexápodo para aplicaciones solares, los rangos de movimiento los determinará la elevación mínima que se quiera obtener, o lo que es lo mismo el aprovechamiento diario que se quiera dar al sistema colector.The conditions of kinematic contours are defined by the range of movements that you want to obtain with the positioning system. In the case of a Hexapod for solar applications, the ranges of motion the determine the minimum elevation you want to obtain, or what it is the same is the daily use that you want to give the system manifold.

--
Las condiciones de contorno de cargas están determinadas, tanto por las actitudes a obtener con el sistema posicionador como con las cargas que debe soportar. En el caso de un hexápodo para aplicaciones solares, las cargas máximas las determinarán el peso del sistema reflector y la máxima velocidad del viento, con la cual el sistema debe ser operativo. Con estas cargas máximas y la envuelta de actitudes se determina la carga máxima de los actuadores.The conditions of contour loads are determined, both by attitudes to obtain with the positioning system as with the loads that must be put up with. In the case of a hexapod for solar applications, the maximum loads will be determined by the weight of the reflector system and the maximum wind speed, with which the system must be operational With these maximum loads and the attitude envelope determines the maximum load of the actuators.

--
Una vez determinadas todas las condiciones de contorno, se determina que parámetro será dimensionante en el caso del hexápodo. El sistema hexápodo podrá optimizarse para obtener máxima resolución, máxima envuelta de movimientos o máxima carga sobre la plataforma superior. En el caso del objeto de la invención se tuvieron como parámetros dimensionantes la envuelta de movimientos y las cargas del viento.Once determined All boundary conditions, it is determined what parameter will be dimensioning in the case of the hexapod. The hexapod system may optimized for maximum resolution, maximum envelopment of movements or maximum load on the upper platform. If of the object of the invention were parameters sizing the movement envelope and the loads of the wind.
Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva, de un juego de planos en cuyas figuras, de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los detalles más significativos de la invención.To complement the description below is going to be done and in order to help a better understanding of its characteristics, is accompanied by the present specification, of a set of planes in whose figures, illustratively and not limiting, the most significant details of the invention.

Figuras 1 muestra una vista lateral del reflector en posición completamente horizontal.Figures 1 shows a side view of the reflector in a completely horizontal position.

Figura 2. Muestra el conjunto anterior con el reflector con un ángulo de elevación de 0°.Figure 2. Shows the previous set with the reflector with an elevation angle of 0 °.

Figura 3. Muestra un ejemplo de rótulas para el hexápodo.Figure 3. Shows an example of kneecaps for the hexapod

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.In view of the figures described then a preferred embodiment of the invention proposal.

En las figuras 1 y 2 observamos cómo el reflector (1) es posicionado y soportado por un hexápodo que consta de una serie de actuadores (2) articulados en sus bases mediante rótulas (3).In figures 1 and 2 we observe how the reflector (1) is positioned and supported by a hexapod consisting of a series of actuators (2) articulated in their bases by ball joints (3).

El hexápodo estará unido al suelo por medio de un anclaje a una cimentación de una determinada profundidad. Sobre estas estructuras se encuentran las rótulas (3) de la base del hexápodo. El número de estructuras de fijación al suelo serán tres, sobre cada una de ellas se dispone una pareja de rótulas (3).The hexapod will be attached to the ground by means of a anchor to a foundation of a certain depth. On these structures are the kneecaps (3) of the base of the hexapod The number of floor fixing structures will be three, a pair of ball joints (3) are arranged on each of them.

Las rótulas (3) están dimensionadas para soportar una carga en su eje de entrada con un factor de seguridad de al menos 1,2.The ball joints (3) are sized to support a load on its input shaft with a safety factor of at minus 1.2.

Las rótulas están constituidas por una base (4) unida a una estructura de fijación al suelo mediante tornillos. Cada una de las rótulas cuenta con dos rodamientos (5), de un herraje (6) que tiene una parte inferior de revolución que sirve de eje para el sistema de rotación, mientras que la parte superior es la base para la rotación según un eje perpendicular al anterior. También cuenta con dos casquillos de fricción (7) así como con un bulón (8).The kneecaps are constituted by a base (4) attached to a floor fixing structure using screws. Each of the ball joints has two bearings (5), of one hardware (6) that has a lower part of revolution that serves as a axis for the rotation system, while the top is the base for rotation along an axis perpendicular to the previous one. It also has two friction bushings (7) as well as a bolt (8).

Los actuadores (2) vendrán definidos por su carrera, por la longitud máxima con el actuador retraído, por la carga de tracción, la carga de compresión y la presión de trabajo. Podrán ser de cualquier tipo. Siendo el número de concentradores a instalar en el parque lo que determine que sea más económico un tipo de actuador u otro.The actuators (2) will be defined by their stroke, for the maximum length with the actuator retracted, for the tensile load, compression load and working pressure. They can be of any type. Being the number of hubs to install in the park what determines to be more economical a type of actuator or other.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.It is not considered necessary to extend this description so that any subject matter expert understands the scope of the invention and the advantages thereof drift

Los materiales, forma tamaño y disposición de los elementos serán susceptibles de variación siempre y cuando no alteren la esencialidad del invento.The materials, shape, size and arrangement of the elements will be subject to variation as long as no alter the essentiality of the invention.

Los términos en que se ha descrito esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.The terms in which this report has been described they should always be taken in a broad and non-limiting sense.

Claims (5)

1. Posicionador tipo hexápodo para el seguimiento solar de concentradores solares caracterizado porque consta de unos medios de fijación al suelo mediante rótulas, así como unos actuadores para el seguimiento solar del concentrador.1. Hexapod type positioner for solar tracking of solar concentrators characterized in that it consists of means for fixing to the ground by means of ball joints, as well as actuators for solar monitoring of the concentrator. 2. Posicionador tipo hexápodo para el seguimiento solar de concentradores solares, según la reivindicación 1 caracterizado porque el dimensionamiento del hexápodo se tienen en cuenta los siguientes factores:2. Hexapod type positioner for solar tracking of solar concentrators, according to claim 1, characterized in that the dimensioning of the hexapod takes into account the following factors:
--
El radio de la circunferencia donde están situados los centros de las rótulas de la plataforma inferior.The radius of the circumference where the centers of the kneecaps are located the lower platform.
--
El radio de la circunferencia donde están situados los centros de las rótulas de la plataforma superior.The radius of the circumference where the centers of the kneecaps are located the upper platform.
--
Distancia entre las rótulas de la plataforma inferior.Distance between lower platform ball joints.
--
Distancia entre las rótulas de la plataforma superior.Distance between upper platform ball joints.
--
Carrera de los actuadores.Race of the actuators
--
Las condiciones de contorno, como geometría del reflector.The conditions of contour, as reflector geometry.
--
Las posiciones extremas del movimiento.Positions extremes of movement
--
Las cargas que ha de soportar la estructura posicionadora debido a la carga que efectúa el viento sobre la estructura reflectante, especialmente el efecto suelo en posición de supervivencia (posición horizontal del concentrador).The charges to be support the positioning structure due to the load it carries out the wind on the reflective structure, especially the effect soil in survival position (horizontal position of hub)
3. Posicionador tipo hexápodo para el seguimiento solar de concentradores, según la reivindicación 2, caracterizado por contar con unas rótulas ancladas a la cimentación.3. Hexapod type positioner for solar monitoring of concentrators, according to claim 2, characterized by having ball joints anchored to the foundation. 4. Posicionador tipo hexápodo para el seguimiento solar de concentradores, según la reivindicación 2, caracterizado porque con objeto de evitar interferencias entre el reflector con las patas del hexápodo cuenta éste con un desplazamiento lateral mínimo.4. Hexagon-type positioner for solar tracking of concentrators, according to claim 2, characterized in that in order to avoid interference between the reflector with the legs of the hexapod it has a minimum lateral displacement. 5. Posicionador tipo hexápodo para el seguimiento solar de concentradores, según la reivindicación 2, caracterizado porque uno o más de los actuadores en sus ejes soporte no sea extensible o retráctil limitándose a estar articulado, y así, reducir los costes de fabricación y complejidad de controlar su extensión, posición y gobierno.5. Hexagon type positioner for the solar monitoring of concentrators, according to claim 2, characterized in that one or more of the actuators in its support shafts is not extensible or retractable, being limited to being articulated, and thus reducing manufacturing costs and complexity of control its extension, position and government.
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