ES2244339B1 - LINEAR FOCUS HELIOSTATE AND OPERATING METHOD. - Google Patents
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Abstract
Helióstato de foco lineal y método de operación. Comprende una superficie reflectante (1), cilíndrica o cilindro-parabólica, capaz de girar alrededor de un eje primario (3) solidario de un soporte móvil (2) que, a su vez, es capaz de girar alrededor de un eje secundario (5) perpendicular al eje primario (3). El eje secundario (5) presenta una orientación particular, perpendicular a un plano principal imagen (10) que contiene a un blanco lineal (11), fijo, además de al eje primario (3). Con esta estructura y disposición se consigue el confinamiento del foco lineal sobre el blanco lineal (11), sin que la reflexión de la luz fuera del eje óptico logre escorarlo a lo largo del día. Los movimientos se consiguen mediante un accionamiento primario (4) y un accionamiento secundario (6) gobernados por un dispositivo de control (8). En el caso particular en que el blanco lineal (11) sea vertical, también lo será el plano principal imagen (10), con lo que el eje secundario (5) será horizontal.Linear focus heliostat and operation method. It comprises a reflective surface (1), cylindrical or parabolic trough, capable of rotating around a primary axis (3) integral with a movable support (2) which, in turn, is capable of rotating around a secondary axis (5 ) perpendicular to the primary axis (3). The secondary axis (5) has a particular orientation, perpendicular to a main image plane (10) that contains a fixed linear target (11), in addition to the primary axis (3). With this structure and arrangement the confinement of the linear focus on the linear target (11) is achieved, without the reflection of the light outside the optical axis being able to pick it throughout the day. The movements are achieved by a primary drive (4) and a secondary drive (6) governed by a control device (8). In the particular case where the linear target (11) is vertical, so will the main image plane (10), so that the secondary axis (5) will be horizontal.
Description
Helióstato de foco lineal y método de operación.Linear focus heliostat and method of operation.
La presente invención se refiere a la realización de un nuevo helióstato de óptica cilíndrica y montura seudo-horizontal, cuyo cometido es el de distribuir y estabilizar la luz solar reflejada en su superficie a lo largo de una dirección definida sobre un determinado blanco a lo largo del día. Esta dirección de concentración de la radiación solar es la que resulta de proyectar la generatriz central de la óptica cilíndrica del helióstato sobre la superficie del blanco.The present invention relates to the realization of a new cylindrical optic heliostat and mount pseudo-horizontal, whose mission is to distribute and stabilize the sunlight reflected on its surface along a defined direction on a certain target along the day. This direction of concentration of solar radiation is what results from projecting the central generatrix of the cylindrical optics of the heliostat on the surface of the target.
El campo de aplicación de la invención sería las plantas termo-solares de receptor central cuyo diseño demande que la distribución de la energía solar reflejada por el campo de helióstatos siga una dirección preferente sobre dicho receptor. Dado que la imagen del Sol dada por un helióstato convencional sobre un blanco es circular, esta distribución direccional de la energía se ha venido logrando tradicionalmente en centrales termo-solares convencionales mediante técnicas de operación basadas en estrategias de apunte sobre grupos de helióstatos.The scope of the invention would be the central receiver thermo-solar plants whose design demands that the distribution of solar energy reflected by the heliostat field follows a preferred direction on said receiver. Since the image of the Sun given by a heliostat conventional on a white is circular, this distribution Directional energy has traditionally been achieved in conventional thermo-solar plants through operation techniques based on group targeting strategies of heliostats.
Las centrales eléctricas termo-solares del tipo torre, o receptor central, basan su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos. Entre las características funcionales de los helióstatos se encuentra su capacidad para concentrar la radiación solar en el receptor o caldera, para lo cual se les dota de una superficie reflectante de geometría esférica y montura mecánica del tipo denominado horizontal. Exceptuando algunos requerimientos muy básicos acerca de la calidad óptica de su superficie reflectante, su capacidad de apunte o su factor de ocupación del terreno, el resto de los parámetros de diseño de un helióstato, tales como geometría, tamaño, control, o tipo de mecanismo de accionamiento, han venido impuestos tradicionalmente por criterios esencialmente económicos. Es llamativo el hecho de que el diseño del helióstato no haya venido hasta ahora, en ninguno de sus parámetros, condicionado por el tipo de receptor solar sobre el que ha de distribuir la energía radiante que refleja del Sol.Power plants tower-type thermo-solar, or central receiver, base their operation strategy on the heat input to a certain conventional thermodynamic cycle, through concentration of solar radiation by a high number of heliostats Among the functional characteristics of the heliostats is its ability to concentrate radiation solar in the receiver or boiler, for which they are provided with a reflective surface of spherical geometry and mechanical mount of the type called horizontal. Except for some requirements very basics about the optical quality of its reflective surface, its pointing ability or its land occupation factor, the rest of the design parameters of a heliostat, such as geometry, size, control, or type of drive mechanism, have come traditionally imposed by essentially economic criteria. The fact that the heliostat design has not come is striking so far, in none of its parameters, conditioned by the type of solar receiver on which to distribute the radiant energy It reflects from the sun.
Sin embargo, los grandes receptores solares presentan una geometría en la que al menos una de sus dimensiones es mucho mayor que las otras, tales como receptores cilíndricos tubulares o volumétricos. En todos estos proyectos se ha constatado el hecho de que la imagen del Sol generada por helióstatos esféricos es mucho menor que las dimensiones del propio receptor solar, lo cual es un grave inconveniente, ya que la irradiación completa de éste exige apuntar los helióstatos a lo largo de toda su superficie con algún criterio o estrategia determinados, que se encomiendan al sistema de control de apunte del campo de helióstatos. Puesto que ya no se apunta a un solo lugar sobre el receptor, los algoritmos de control básicamente han de dispersar estratégicamente la radiación que previamente ha sido concentrada por cada helióstato. Este hecho esencialmente contradictorio y de éxito cuestionable, pues pone en riesgo el rendimiento y la propia integridad del receptor solar, ha llevado a reflexionar sobre la conveniencia de revisar los parámetros de diseño del helióstato, de forma que la distribución de irradiancia dada por cada helióstato sobre el receptor solar se adapte en origen a la forma geométrica de éste y que, en consecuencia, las estrategias de control de apunte sean minimizadas o incluso suprimidas. La revisión de estos parámetros de diseño involucra a la óptica, al mecanismo de apunte y a la orientación de su emplazamiento dentro del campo de helióstatos. Como diseño alternativo al convencional, se propone el helióstato de foco lineal y montura seudo-horizontal, objeto de la presente invención.However, large solar receivers have a geometry in which at least one of its dimensions is much larger than the others, such as tubular or volumetric cylindrical receivers. In all these projects the fact that the image of the Sun generated by spherical heliostats is much smaller than the dimensions of the solar receiver itself has been verified, which is a serious inconvenience, since the complete irradiation of this requires pointing the heliostats to the along its entire surface with some specific criteria or strategy, which are entrusted to the control system of the heliostat field. Since it is no longer aimed at a single place on the receiver, the control algorithms basically have to strategically disperse the radiation that has previously been concentrated by each heliostat. This essentially contradictory fact and of questionable success, since it jeopardizes the performance and the integrity of the solar receiver itself, has led to reflect on the advisability of reviewing the heliostat design parameters, so that the irradiance distribution given by each heliostat on the solar receiver it adapts in origin to the geometric shape of the latter and, consequently, the point control strategies are minimized or even suppressed. The revision of these design parameters involves the optics, the pointing mechanism and the orientation of its location within the field of heliostats. As an alternative to the conventional design, the linear focus and pseudo-horizontal mount heliostat is proposed, object of the present invention.
A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe:Throughout the document the following terms, with the meaning described:
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- Energía solar: energía radiante que proviene del Sol y que llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características. Solar energy: radiant energy that comes from the Sun and that reaches the Earth's surface with a characteristic intensity and spectral composition.
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- Helióstato: Espejo de gran distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado lugar a lo largo del día. Heliostat : Mirror of great focal length, equipped with movement in two axes and whose mission is to reflect, concentrate and maintain static the image of the Sun in a certain place throughout the day.
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- Óptica cilíndrica: Superficie reflectante de revolución obtenida al girar un segmento de longitud arbitraria en torno a un eje paralelo a éste, denominado eje de revolución de la óptica cilíndrica. Cylindrical optics : Reflective surface of revolution obtained by rotating a segment of arbitrary length around an axis parallel to it, called the axis of revolution of the cylindrical optics.
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- Helióstato cilíndrico: helióstato provisto de óptica cilíndrica. Cylindrical heliostat: heliostat provided with cylindrical optics.
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- Eje geométrico de un helióstato cilíndrico: Es el eje de revolución de su óptica cilíndrica. Geometric axis of a cylindrical heliostat : It is the axis of revolution of its cylindrical optics.
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- Eje óptico de un helióstato cilíndrico: línea recta virtual que pasa por los centros de la óptica cilíndrica, blanco y Sol, supuestos alineados, y corta ortogonalmente al eje geométrico del helióstato. Optical axis of a cylindrical heliostat : virtual straight line that passes through the centers of the cylindrical optics, white and Sun, assumptions aligned, and cuts orthogonally to the geometric axis of the heliostat.
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- Plano central de un helióstato cilíndrico: plano que contiene a los ejes geométrico y óptico. Central plane of a cylindrical heliostat : plane containing the geometric and optical axes.
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- Generatriz central de un helióstato cilíndrico: De todas las generatrices del helióstato cilíndrico, aquella que está contenida en su plano central. Central generator of a cylindrical heliostat : Of all the generatrices of the cylindrical heliostat, that which is contained in its central plane.
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- Rayo principal incidente: el que proviene del centro del disco solar y corta en el punto medio de la generatriz central de la óptica del helióstato. Main incident ray : the one that comes from the center of the solar disk and cuts at the midpoint of the central generatrix of the heliostat optics.
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- Rayo principal reflejado: el que proviene del punto medio de la generatriz central de la óptica del helióstato y corta en el punto medio del blanco. Reflected main beam : the one that comes from the midpoint of the central generatrix of the heliostat optic and cuts at the midpoint of the target.
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- Plano de reflexión: El que contiene al rayo principal incidente y al rayo principal reflejado. Reflection plane : The one that contains the main incident beam and the main reflected beam.
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- Plano principal objeto de un helióstato cilíndrico: Plano que contiene a la generatriz central y al rayo principal incidente. Main plane object of a cylindrical heliostat : Plane containing the central generatrix and the main incident beam.
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- Plano principal imagen de un helióstato cilíndrico: Plano que contiene a la generatriz central y al rayo principal reflejado. Main plane image of a cylindrical heliostat : Plane containing the central generatrix and the reflected main beam.
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- Línea focal de un helióstato cilíndrico: Lugar geométrico de intersección con el plano central de los rayos solares reflejados en su superficie óptica, supuestas las trayectorias de incidencia de dichos rayos paralelas al eje óptico. En incidencia no paralela al eje óptico, la línea focal se desplaza al plano principal imagen y modifica sus características genuinas debido al astigmatismo, pasando a ser una seudo-línea focal. Focal line of a cylindrical heliostat : Geometric place of intersection with the central plane of the solar rays reflected on its optical surface, assuming the incidence paths of said rays parallel to the optical axis. In incidence not parallel to the optical axis, the focal line moves to the main image plane and modifies its genuine characteristics due to astigmatism, becoming a pseudo-focal line.
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- Eje primario de un helióstato cilíndrico: Eje de giro del helióstato coincidente con la generatriz central de éste. Primary axis of a cylindrical heliostat : Axis of rotation of the heliostat coinciding with its central generatrix.
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- Eje secundario de un helióstato cilíndrico: Eje de giro del helióstato que es ortogonal al eje primario. Secondary axis of a cylindrical heliostat : Axis of rotation of the heliostat that is orthogonal to the primary axis.
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- Montura horizontal: Dispositivo mecánico de orientación en dos ejes de un helióstato respecto a un sistema topocéntrico de coordenadas horizontales, denominadas acimut y altura. El plano fundamental es el horizonte del observador y el punto fundamental es el Norte verdadero. La orientación del helióstato, en función de la evolución diurna del Sol en este mismo sistema de coordenadas, se consigue mediante giros acimutales (arcos de horizonte desde el punto fundamental) y de altura o cenitales (arcos ortogonales al plano horizonte en dirección al cenit del observador). El eje mecánico de giro acimutal es ortogonal al plano del horizonte y de orientación fija. Por el contrario, el eje de giro cenital es paralelo al plano del horizonte y de orientación variable, debido a la existencia de una ligadura mecánica entre ambos movimientos, que provoca el "arrastre" del eje cenital cada vez que el giro acimutal acontece. Horizontal mount : Mechanical device of orientation in two axes of a heliostat with respect to a topocentric system of horizontal coordinates, called azimuth and height . The fundamental plane is the horizon of the observer and the fundamental point is the true North. The orientation of the heliostat, depending on the diurnal evolution of the Sun in this same coordinate system, is achieved by azimuthal turns (arcs of horizon from the fundamental point) and height or zeniths (arches orthogonal to the horizon plane towards the zenith of the observer). The mechanical axis of azimuthal rotation is orthogonal to the plane of the horizon and of fixed orientation. On the contrary, the axis of zenith rotation is parallel to the plane of the horizon and of variable orientation, due to the existence of a mechanical ligation between both movements, which causes the "drag" of the zenith axis every time the azimuthal rotation occurs.
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- Montura seudo-horizontal: Variante de la montura horizontal, mediante la cual la orientación del helióstato se consigue a través de giros en torno a los ejes primario y secundario del helióstato, ortogonales entre sí pero arbitrariamente orientados respecto al plano del horizonte, y suponiendo la posición del Sol dada en coordenadas horizontales. La posición del eje mecánico de giro cenital es fija y su orientación no se refiere ya al plano del horizonte, sino al plano principal imagen del helióstato, respecto al que ha de ser necesariamente ortogonal. El eje mecánico de giro acimutal ha de ser ortogonal al mencionado eje cenital y, por tanto, se halla íntegramente contenido en el plano principal imagen del helióstato, siendo su orientación variable en dicho plano debido a la existencia de una ligadura mecánica entre ambos movimientos, que provoca el "arrastre" del eje acimutal cada vez que el giro cenital acontece. Pseudo-horizontal mount: Variant of the horizontal mount, whereby the orientation of the heliostat is achieved through turns around the primary and secondary axes of the heliostat, orthogonal to each other but arbitrarily oriented with respect to the plane of the horizon, and assuming the position of the Sun given in horizontal coordinates. The position of the mechanical axis of zenith rotation is fixed and its orientation does not refer to the plane of the horizon, but to the main image plane of the heliostat, with respect to which it must necessarily be orthogonal. The mechanical axis of azimuthal rotation must be orthogonal to the aforementioned zenith axis and, therefore, is fully contained in the main image plane of the heliostat, its orientation being variable in said plane due to the existence of a mechanical bond between both movements, which causes the "drag" of the azimuthal axis every time the zenith turn occurs.
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- Facetas: Elementos especulares individuales de que se compone la superficie reflectante de algunos helióstatos. Facets : Individual specular elements of which the reflective surface of some heliostats is composed.
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- Alineación o canteo de un helióstato: Acción de orientar las facetas de tal forma que la intersección de todos los ejes ópticos de éstas se halle sobre el eje óptico del helióstato, a una distancia al vértice de éste doble de su focal. La alineación dota de focal al helióstato, supuesta faceteada su superficie reflectante. Alignment or edging of a heliostat : Action to orient the facets in such a way that the intersection of all the optical axes of these is on the optical axis of the heliostat, at a distance to the vertex of this double of its focal. The alignment gives focal to the heliostat, supposedly faceted its reflective surface.
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- Declinación: Variación de la altura del Sol sobre el ecuador celeste cuando la tierra, a lo largo del año, recorre su trayectoria (la eclíptica) alrededor del Sol. Declination : Variation of the height of the Sun over the celestial equator when the earth, throughout the year, travels its trajectory (the ecliptic) around the Sun.
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- Campo de helióstatos: También denominado concentrador primario, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un blanco o receptor. Field of heliostats : Also called primary concentrator, it is a set of heliostats arranged in a limited terrain and whose mission is the contribution of radiant energy to a target or receiver.
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- Receptor solar: Dispositivo que intercepta y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferirla mediante un intercambiador de calor al bloque de potencia de la planta. Solar receiver : Device that intercepts and absorbs the solar radiation provided by a field of heliostats, in order to transfer it through a heat exchanger to the power block of the plant.
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- Blanco lineal: Receptor solar que debe recibir la energía radiante a lo largo de una línea (o al menos una de sus dimensiones es mucho mayor que las otras). Linear target : Solar receiver that must receive radiant energy along a line (or at least one of its dimensions is much larger than the others).
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- Planta termo-solar de receptor central: planta de producción de energía eléctrica que basa su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un único receptor. Thermo-solar plant of central receiver : plant of production of electrical energy that bases its strategy of operation in the contribution of heat to a certain conventional thermodynamic cycle, by means of the concentration of the solar radiation by a high number of heliostats on a single receiver.
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- Estrategia de apunte: Procedimiento de operación de una planta termo-solar que consiste en definir un conjunto de coordenadas sobre el receptor a donde deben apuntar cada uno de los helióstatos del campo para conseguir la distribución de energía requerida sobre éste. Aiming strategy : Operation procedure of a thermo-solar plant that consists of defining a set of coordinates on the receiver where each of the heliostats of the field must aim to achieve the required energy distribution on it.
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- Estrategia dinámica de apunte: Es una estrategia de apunte en la cual las coordenadas sobre el receptor cambian con el tiempo, siguiendo determinados criterios de control. Dynamic aiming strategy: It is an aiming strategy in which the coordinates on the receiver change over time, following certain control criteria.
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- Línea focal confinada: Condición determinada por la óptica y el mecanismo de orientación del helióstato respecto al movimiento aparente del Sol, por la que la orientación del plano principal imagen del helióstato permanece invariante y, en consecuencia, la orientación de su línea focal se estabiliza sobre el blanco. Es decir, orientando la óptica para seguir al Sol en su movimiento diurno, puede conseguirse que la radiación reflejada por el helióstato, agrupada en torno a su línea focal, se distribuya permanentemente sobre un blanco lineal. Confined focal line : Condition determined by the optics and orientation mechanism of the heliostat with respect to the apparent movement of the Sun, whereby the orientation of the main image plane of the heliostat remains invariant and, consequently, the orientation of its focal line is stabilized on the target. That is, by guiding the optics to follow the Sun in its daytime movement, it can be achieved that the radiation reflected by the heliostat, grouped around its focal line, is permanently distributed over a linear target.
Los primeros helióstatos considerados como elementos industriales se desarrollaron a inicios de la década de los ochenta para las plantas experimentales termo-solares de receptor central, con el propósito de probar la viabilidad de la energía solar térmica en los procesos de producción de electricidad a escala industrial. La tabla 1 resume los proyectos realizados debido a la iniciativa internacional:The first heliostats considered as industrial elements were developed at the beginning of the decade of the eighties for experimental plants central receiver thermo-solar, with the purpose to prove the viability of solar thermal energy in processes of industrial scale electricity production. Table 1 summarizes the projects carried out due to the international initiative:
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Una vez finalizados los proyectos de
demostración, la mayoría de estas plantas fueron cerradas. En
Europa únicamente continuaron en servicio los campos de helióstatos
correspondientes a las plantas CRS y CESA-1, gracias
a un acuerdo de colaboración entre los gobiernos alemán y español,
constituyéndose la Plataforma Solar de Almería
(PSA).Once the demonstration projects were completed, most of these plants were closed. In Europe, only the heliostat fields corresponding to the CRS and CESA-1 plants continued in service, thanks to a collaboration agreement between the German and Spanish governments, constituting the Almería Solar Platform
(PSA).
En USA la planta Solar One fue remodelada y, con el mismo campo de helióstatos, se puso en funcionamiento la planta Solar Two la cual ha estado funcionando hasta abril de 1999.In the USA, the Solar One plant was remodeled and, with the same heliostat field, the plant was put into operation Solar Two which has been running until April 1999.
La PSA sigue operando en la actualidad estos campos de helióstatos gracias a una gran diversidad de proyectos que se han llevado a cabo durante los últimos años. El objetivo de estos proyectos ha sido el desarrollo y evaluación de nuevos componentes solares en esta tecnología, fundamentalmente helióstatos y receptores solares.The PSA continues to operate these days heliostat fields thanks to a great diversity of projects that have been carried out during the last years. The objective of these projects has been the development and evaluation of new solar components in this technology, mainly heliostats and solar receivers.
La tabla 2 resume los prototipos de helióstatos desarrollados en la actualidad y sus características ópticas y mecánicas.Table 2 summarizes the prototypes of heliostats developed today and its optical characteristics and mechanical
Como se aprecia en la tabla 2, todos los helióstatos descritos han tenido óptica esférica, es decir, cualquier haz de rayos paralelos al eje óptico converge una vez reflejado en un solo punto, denominado foco o punto focal. Su objetivo es, por tanto, la reproducción de la imagen del Sol en un determinado blanco, en contraste con el helióstato de óptica cilíndrica, objeto de la invención, cuyo propósito no es la reproducción de la imagen del Sol, sino la distribución de su energía radiante a lo largo de una dirección preferente. Desaparece así el concepto de punto focal, sustituyéndose por el de línea focal; es decir, cualquier haz de rayos paralelos al eje óptico converge una vez reflejado a lo largo de una línea, denominada línea focal.As shown in table 2, all described heliostats have had spherical optics, that is, any beam of rays parallel to the optical axis converges once reflected in a single point, called focus or focal point. its objective is, therefore, the reproduction of the image of the Sun in a certain white, in contrast to the optical heliostat cylindrical, object of the invention, whose purpose is not the reproduction of the image of the Sun, but the distribution of its radiant energy along a preferred direction. Disappears thus the concept of focal point, replacing the concept of line focal; that is, any beam of rays parallel to the optical axis converges once reflected along a line, called focal line
Pero el helióstato cilíndrico de línea focal confinada necesita de dos requerimientos adicionales, que son la inmovilidad y la orientación específica del eje secundario. Dicho eje, como tal, no existe en ninguno de los helióstatos reseñados, puesto que todos son esféricos. No obstante, la tabla 2 muestra que únicamente el helióstato esférico HELLAS dispone de eje mecánico cenital fijo de orientación no-específica para cada helióstato, sino general Este-Oeste para todos los helióstatos del campo; ya que el eje secundario como tal no existe, su inmovilidad responde únicamente a criterios mecánicos, sin repercusión en el rendimiento óptico, cual es el objeto de la presente invención.But the cylindrical focal line heliostat confined needs two additional requirements, which are the immobility and specific orientation of the secondary axis. Saying axis, as such, does not exist in any of the heliostats reviewed, since all are spherical. However, table 2 shows that only the HELLAS spherical heliostat has a mechanical shaft fixed zenith of non-specific orientation for each heliostat, but general East-West for all field heliostats; since the secondary axis as such does not exist, its immobility responds only to mechanical criteria, without impact on optical performance, which is the purpose of the present invention
Los problemas que plantea la utilización de helióstatos esféricos quedan perfectamente reflejados en el documento US 3,892,433 de Martin Marietta, en el cual se describe una instalación para producir energía eléctrica utilizando la energía solar concentrada por un campo de helióstatos esféricos sobre un blanco circular. Con objeto de seguir al sol durante su variación diurna de altura y acimut, la superficie reflectora de cada helióstato debe poder pivotar alrededor de un eje horizontal, que es orientable a su vez alrededor de un eje vertical. Como se muestra en la figura 4 de dicho documento, una tal solución introduce diversos errores de astigmatismo debidos a la incidencia de la luz fuera del eje óptico de los helióstatos lo que provoca, por un lado, una dispersión de la energía como consecuencia de que el foco no coincide con el plano del receptor, y por otro lado, un escoramiento de la imagen a lo largo del día. Se comprende que este escoramiento será especialmente perjudicial si se pretende pasar del concepto de punto focal al de línea focal, sustituyendo los reflectores esféricos por reflectores cilíndricos.The problems posed by the use of spherical heliostats are perfectly reflected in the US 3,892,433 by Martin Marietta, which describes an installation to produce electricity using the solar energy concentrated by a field of spherical heliostats on a circular target. In order to follow the sun during its daytime variation of height and azimuth, the reflective surface of each heliostat must be able to pivot around a horizontal axis, which is adjustable in turn around a vertical axis. How I know shows in figure 4 of said document, such a solution introduces various astigmatism errors due to incidence of the light outside the optical axis of the heliostats which causes, on the one hand, a dispersion of energy as a result of the focus does not match the plane of the receiver, and on the other hand, a image picking throughout the day. It is understood that this selection will be especially harmful if it is intended to pass from concept of focal point to that of focal line, replacing spherical reflectors by cylindrical reflectors.
Son conocidos asimismo propuestas de utilización de helióstatos cilíndricos con movimiento de orientación en un solo eje en plantas solares con receptor de tipo lineal, tanto a pequeña escala (US 3,861,379) como a gran escala (US 4,141,626).Proposals for use are also known of cylindrical heliostats with orientation movement in a single axis in solar plants with linear type receiver, both small scale (US 3,861,379) as large scale (US 4,141,626).
Así, el dispositivo concentrador de foco lineal descrito en el documento de patente US 3,861,379 de Anderson, comprende una pluralidad de reflectores planos rectangulares dispuestos con diferentes ángulos de inclinación para concentrar la luz del sol sobre un colector de agua caliente doméstica situado por encima y a corta distancia de los reflectores. El ángulo de incidencia de los reflectores varia simultáneamente durante el día para que la imagen reflejada del sol incida en todo momento sobre el colector. Dado que no se persigue un elevado rendimiento, la inclinación del dispositivo respecto al plano del movimiento aparente del sol es fija. Es decir, no se tiene en cuenta la variación de la declinación del sol durante el año, previéndose a lo sumo dos posiciones, de invierno y verano, entre las que se conmuta manualmente. Como consecuencia, el foco lineal se desplaza longitudinalmente sobre el receptor a lo largo del año, aunque sin graves consecuencias dada la pequeña distancia focal. Una tal solución solo puede funcionar para dispositivos de baja potencia y distancia focal muy corta, como son las aplicaciones de agua caliente doméstica.Thus, the linear focus concentrator device described in Anderson patent document 3,861,379 to Anderson, comprises a plurality of rectangular flat reflectors arranged with different angles of inclination to concentrate the sunlight on a domestic hot water collector located by above and a short distance from the reflectors. The angle of Reflector incidence varies simultaneously during the day so that the reflected image of the sun always affects the manifold. Since high performance is not pursued, the inclination of the device with respect to the plane of movement The sun's apparent is fixed. That is to say, the variation of the decline of the sun during the year, anticipating at most two positions, winter and summer, among which switch manually. As a consequence, the linear focus shifts longitudinally over the receiver throughout the year, although without serious consequences given the small focal length. A solution can only work for low power devices and very short focal length, such as water applications domestic hot.
También se ha propuesto corregir los errores de astigmatismo mediante la utilización de ópticas de geometría variable tal como la descrita en el documento de patente US 4,141,626 de FMC Corporation en el que se modifica durante el día la curvatura de la superficie reflectante del helióstato. Esta modificación será máxima durante el solsticio de verano y mínima en el de invierno, debido a las posiciones extremas (máximas y mínimas, respectivamente) de los ángulos acimutal y altura del Sol sobre el horizonte. El documento citado utiliza cierto tipo de helióstatos con superficie reflectante cilíndrica deformable, que apuntan a un blanco horizontal, orientado en sentido Este-Oeste, siendo paralelos al mismo los ejes primarios de dichos helióstatos, mientras que el eje secundario como tal no existe, y la deformación de la imagen por astigmatismo se compensa mediante una acción sobre la superficie reflectante cilíndrica, variando su focal. Una tal solución elimina la dispersión de la imagen, mejorando considerablemente el enfoque y, dada la orientación del eje primario de los helióstatos paralela al blanco, suprime el escoramiento, pero no puede evitar que el foco lineal se desplace longitudinalmente sobre el blanco a lo largo del día. Este desplazamiento es muy importante al trabajarse con distancias focales elevadas por lo que, siendo la longitud del blanco limitada, se reduce considerablemente el numero de horas de operación del dispositivo. Obsérvese que si dotamos a este dispositivo de un segundo eje vertical para seguir el movimiento horario del sol, tal como lo preconizado por Martin Marietta, conseguiríamos la inmovilización longitudinal del foco lineal sobre el blanco a lo largo del día pero, en contrapartida, se produciría un escoramiento del foco lineal al no mantenerse ya el paralelismo del eje primario del helióstato con el blanco.It has also been proposed to correct the errors of astigmatism through the use of geometry optics variable such as that described in US Pat. 4,141,626 of FMC Corporation in which the day is modified curvature of the reflective surface of the heliostat. This modification will be maximum during the summer solstice and minimum in the winter one, due to the extreme positions (maximum and minimum, respectively) of the azimuth and height angles of the Sun over the horizon. The cited document uses a certain type of heliostat with deformable cylindrical reflective surface, which point to a horizontal white, oriented East-West, the primary axes of said heliostats being parallel thereto, while the secondary axis as such does not exist, and the deformation of the image by astigmatism is compensated by an action on the cylindrical reflective surface, varying its focal length. A solution eliminates image scattering, improving considerably the focus and, given the orientation of the axis heliostat primary parallel to the target, suppresses the selection, but cannot prevent the linear focus from shifting longitudinally over the target throughout the day. This displacement is very important when working with distances high focal points, so that the length of the target is limited, the number of hours of operation of the device. Note that if we provide this device with a second vertical axis to follow the sun's hourly movement, such as recommended by Martin Marietta, we would get the longitudinal immobilization of the linear focus on the target at throughout the day but, in return, there would be a burning of the linear focus because the parallelism of the primary axis is no longer maintained of the heliostat with the target.
En determinados casos se propone la utilización de helióstatos cilíndricos con blanco móvil lineal asociado, y movimiento de orientación en dos ejes para seguimiento del sol.In certain cases the use is proposed of cylindrical heliostats with associated linear mobile target, and Two-axis orientation movement for sun tracking.
Así, el documento US 5,253,637 de Maiden plantea el problema de los colectores solares de reflector y blanco fijos, los cuales presentan elevadas pérdidas y una severa limitación del número de horas de utilización. La solución propuesta consiste en acoplar un receptor lineal sobre un reflector cilíndrico de eje primario horizontal susceptible de girar respecto a un eje secundario vertical. De esta forma el foco lineal no presenta escoramiento dado que se trata de un dispositivo de blanco móvil unido al reflector. Si bien es cierto que en Maiden existe un plano principal imagen (el eje primario y el blanco lineal son paralelos por construcción), este es un plano móvil, necesariamente inclinado, y en consecuencia nunca puede ser perpendicular al eje secundario vertical. Maiden resuelve el problema del escoramiento a cambio de hacer móvil el blanco lineal, lo que implica que este solo puede llevar asociado un único reflector, con la consiguiente limitación de la potencia absorbida por el mismo.Thus, US 5,253,637 of Maiden states the problem of fixed reflector and white solar collectors, which present high losses and a severe limitation of number of hours of use The proposed solution consists of couple a linear receiver on a cylindrical shaft reflector horizontal primary capable of rotating with respect to an axis vertical secondary In this way the linear focus does not present picking since it is a mobile target device attached to the reflector. While it is true that in Maiden there is a plane main image (the primary axis and the linear target are parallel by construction), this is a mobile plane, necessarily inclined, and consequently it can never be perpendicular to the secondary axis vertical. Maiden solves the problem of selection in exchange for make the linear target mobile, which implies that it can only carry a single reflector associated, with the consequent limitation of the power absorbed by it.
Finalmente, en el documento GB 2 063 465 de Jubb, el problema planteado es el del bajo rendimiento de las células fotoeléctricas como dispositivo generador de energía eléctrica. La solución propuesta consiste en dividir el espectro luminoso mediante una ranura de difracción, haciendo incidir cada tramo de longitud de onda sobre distintos grupos de células fotoeléctricas especialmente adaptadas a cada longitud de onda. Como en el documento anterior, se trata de un conjunto de reflector cilíndrico con blanco móvil asociado, en disposición horizontal.Finally, in GB 2 063 465 of Jubb, the problem posed is the low performance of the photoelectric cells as a power generating device electric The proposed solution is to divide the spectrum luminous by means of a diffraction groove, making each stretch of wavelength over different groups of cells Photoelectric systems specially adapted to each wavelength. How in the previous document, it is a reflector set cylindrical with associated mobile target, in horizontal arrangement.
En conclusión, ninguno de los helióstatos conocidos anteriormente dispone de los requerimientos exigibles a un cilíndrico de altas prestaciones y sencillez de construcción y operación como el que es objeto de la invención.In conclusion, none of the heliostats known previously has the requirements to a cylindrical of high performance and simplicity of construction and operation like the one that is the object of the invention.
El problema planteado es el del escoramiento de la línea focal sobre un blanco fijo independiente del helióstato, y podría resolverse mediante un accionamiento en tres ejes, de tal manera que necesitaríamos dos ejes para seguir al sol en su variación diurna de altura y acimut, y un tercer eje para corregir el escoramiento. Una tal solución es cara y compleja de realización.The problem posed is the selection of the focal line on a fixed target independent of the heliostat, and could be solved by a three-axis drive, of such way we would need two axes to follow the sun in its diurnal variation of height and azimuth, and a third axis to correct the burning One such solution is expensive and complex of realization.
En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un helióstato de tal forma construido y operado que sea capaz de seguir al sol en su movimiento diurno, manteniendo una imagen lineal sin escoramiento sobre un blanco lineal fijo situado a considerable distancia.Consequently, it is an objective of the present invention having a heliostat of such a constructed and operated that is able to follow the sun in its daytime movement, maintaining a linear image without burning on a white Fixed linear located at considerable distance.
Es otro objetivo de la presente invención el disponer de un helióstato que, cumpliendo las condiciones anteriores, pueda operarse mediante su accionamiento en dos ejes.It is another objective of the present invention the have a heliostat that, fulfilling the conditions above, can be operated by its operation in two axes
Para alcanzar el objetivo propuesto el plano principal imagen del helióstato objeto de la invención deberá permanecer inmóvil en el espacio y contener al blanco lineal, lo que podrá conseguirse combinando los siguientes elementos:To achieve the proposed objective the plan main image of the heliostat object of the invention should remain motionless in space and contain the linear blank, which It can be achieved by combining the following elements:
- 1.one.
- Una superficie reflectante de óptica cilíndrica o cilindro-parabólica, indistintamente, que debe poder girar alrededor de un eje primario coincidente con la generatriz central de la superficie reflectante.A reflective surface of cylindrical optics or parabolic trough, indistinctly, that must be able rotate around a primary axis coinciding with the generatrix central reflective surface.
- 2.2.
- Una estructura consistente en un soporte móvil susceptible de girar respecto a un eje secundario perpendicular al eje primario, siendo el eje primario solidario del soporte móvil.A structure consisting of a mobile support that can rotate with respect to a secondary axis perpendicular to the primary axis, being the primary axis of solidarity of the mobile support.
- 3.3.
- Orientación específica del eje secundario, perpendicular a un plano principal imagen, inmóvil en el espacio, que contiene en todo momento al blanco lineal y al eje primario.Specific axis orientation secondary, perpendicular to a main image plane, motionless in the space, which contains at all times the linear target and the axis primary.
- 4.Four.
- Un accionamiento primario para hacer girar la superficie reflectante alrededor del eje primario y un accionamiento secundario para hacer girar el soporte móvil alrededor del eje secundario, gobernados ambos por un dispositivo de control.A primary drive to rotate the reflective surface around the primary axis and a secondary drive to make rotate the mobile support around the secondary axis, governed both by a control device.
Como aspectos relevantes de la realización de la invención nos detendremos especialmente en la geometría de la superficie reflectante, su orientación diurna, la estructura que relaciona el eje primario y el eje secundario, y el confinamiento de la línea focal.As relevant aspects of the realization of the invention we will stop especially in the geometry of the reflective surface, its daytime orientation, the structure that relates the primary axis and the secondary axis, and the confinement of the focal line
Geometría de la superficie reflectante. La superficie reflectante del helióstato objeto de la invención posee geometría cilíndrica o cilindro-parabólica en lugar de la esférica convencional, que concentra la radiación solar no sobre un punto focal sino sobre una línea focal, de longitud concordante con la dimensión de la dirección preferente de distribución de la energía pretendida sobre un determinado blanco. Esta superficie puede ser de una pieza o faceteada, en cuyo caso las facetas son asimismo cilíndricas o cilindro-parabólicas y con distancia focal previsiblemente idéntica a la de la superficie envolvente que resulta de alinearlas cilíndricamente. La generatriz central de esta superficie reflectante (faceteada o no) debe ser coincidente con el eje primario del helióstato y, por tanto, ortogonal al eje secundario de éste. A efectos prácticos puede admitirse que la generatriz central y el eje primario no sean exactamente coincidentes si son paralelos y muy próximos y en este sentido se utilizara la palabra "coincidentes" en el presente documento. El propósito de esta geometría es el de sustituir el punto focal de los helióstatos convencionales por una línea focal, paralela por construcción a la generatriz central del cilindro, y cuya longitud, a incidencia normal, coincide con la dimensión de ésta. El resultado es una distribución de la energía radiante del Sol reflejada por el helióstato a lo largo de una dirección preferente sobre el blanco. Geometry of the reflective surface . The reflective surface of the heliostat object of the invention has cylindrical or parabolic trough geometry instead of the conventional spherical, which concentrates the solar radiation not on a focal point but on a focal line, of length consistent with the preferred direction dimension of distribution of the intended energy over a certain target. This surface can be of a piece or faceted, in which case the facets are also cylindrical or parabolic trough and with foreseeable focal length that is predictably identical to that of the enveloping surface that results from aligning them cylindrically. The central generatrix of this reflective surface (faceted or not) must be coincident with the primary axis of the heliostat and, therefore, orthogonal to its secondary axis. For practical purposes it can be admitted that the central generatrix and the primary axis are not exactly coincident if they are parallel and very close and in this sense the word "coincident" will be used in this document. The purpose of this geometry is to replace the focal point of conventional heliostats with a focal line, parallel by construction to the central generatrix of the cylinder, and whose length, at normal incidence, coincides with its dimension. The result is a distribution of the radiant energy of the Sun reflected by the heliostat along a preferred direction over the target.
Orientación diurna de la superficie reflectante para lograr el apunte. Como cualquier helióstato, el cilíndrico de línea focal confinada necesita orientarse en el espacio con objeto de que los rayos procedentes del Sol y reflejados en su superficie impacten en el blanco. Esto se consigue mediante la intervención de sendos mecanismos de accionamiento, que giran dicha superficie un determinado ángulo en torno a los ejes primario y secundario, previo cálculo del vector solar y dirección del rayo reflejado por un dispositivo de control. Daytime orientation of the reflective surface to achieve the aim . Like any heliostat, the confined focal line cylindrical needs to be oriented in space in order for the rays from the Sun and reflected on its surface to hit the target. This is achieved through the intervention of two drive mechanisms, which rotate said surface a certain angle around the primary and secondary axes, after calculating the solar vector and direction of the beam reflected by a control device.
Estructura del conjunto. La especial disposición de los ejes primario y secundario que se acaba de describir constituye un cambio radical respecto a la disposición utilizada en los helióstatos convencionales. En estos, el eje primario de orientación acimutal de la superficie reflectante es vertical y permanece inmóvil en el espacio. La razón es fundamentalmente económica, ya que es muy favorable soportar dicho eje primario en el propio pedestal del helióstato, que lo sujeta al terreno. Dicho pedestal suele estar constituido por un tubo metálico vertical, el cual puede alojar en su interior los cojinetes de giro del eje primario que, de esta forma, queda oculto en el propio pedestal. Una tal disposición es absolutamente inadecuada para cumplir la condición de confinamiento sobre el blanco de la línea focal. La solución propuesta consiste en relacionar directamente con el pedestal no el eje primario sino el eje secundario, con lo que el eje primario de movimiento acimutal es arrastrado libremente durante el movimiento cenital alrededor del eje secundario, que ahora queda en una orientación fija en el espacio. Structure of the set . The special arrangement of the primary and secondary axes just described constitutes a radical change with respect to the arrangement used in conventional heliostats. In these, the primary axis of azimuthal orientation of the reflective surface is vertical and remains motionless in space. The reason is fundamentally economic, since it is very favorable to support said primary axis on the heliostat pedestal itself, which holds it to the ground. Said pedestal is usually constituted by a vertical metal tube, which can accommodate inside the rotating bearings of the primary shaft, which is thus hidden in the pedestal itself. Such an arrangement is absolutely inadequate to meet the condition of confinement on the target of the focal line. The proposed solution is to relate directly to the pedestal not the primary axis but the secondary axis, with which the primary axis of azimuthal movement is freely dragged during the zenithal movement around the secondary axis, which now remains in a fixed orientation in space .
Confinamiento de la línea focal. El confinamiento (inmovilidad) de la línea focal de la superficie cilíndrica descrita anteriormente, se consigue mediante la inmovilización de la orientación del eje secundario del helióstato en su procedimiento sistemático de apunte a un blanco durante el día. Esta inmovilización del eje secundario inmoviliza también al plano principal imagen y, por tanto, a la intersección de éste con la superficie del blanco, que es el lugar geométrico donde se distribuye la irradiancia (línea focal). Como quiera que la posición de la línea focal sobre el blanco depende de la intersección del plano principal imagen con el plano del blanco, y que la orientación de dicho plano principal imagen depende de la orientación del eje secundario del helióstato, se sigue que la orientación de aquélla puede modificarse a voluntad con sólo orientar (e inmovilizar) dicho eje secundario. Focal line confinement . The confinement (immobility) of the focal line of the cylindrical surface described above is achieved by immobilization of the orientation of the secondary axis of the heliostat in its systematic procedure of targeting a target during the day. This immobilization of the secondary axis also immobilizes the main image plane and, therefore, its intersection with the surface of the target, which is the geometric place where irradiance is distributed (focal line). Since the position of the focal line on the target depends on the intersection of the main image plane with the target plane, and that the orientation of said main image plane depends on the orientation of the secondary axis of the heliostat, it follows that the orientation from it it can be modified at will by simply orienting (and immobilizing) said secondary axis.
En resumen, el confinamiento de la línea focal (es decir, inmovilidad y orientación del eje secundario) por los medios anteriores va a posibilitar el que la línea focal de la superficie reflectante se oriente según la dirección a donde se pretende distribuir la luz concentrada por ésta sobre un elemento receptor (blanco lineal) y, lo que es más importante, que la mantenga estática en dicha dirección, sin que la reflexión de la luz fuera del eje óptico logre escorarla ya que, en todo momento, la línea focal yace sobre el plano principal imagen, inmóvil, quedando "confinada" a lo largo del día.In summary, the confinement of the focal line (i.e. immobility and orientation of the secondary axis) by previous means will enable the focal line of the reflective surface is oriented according to the direction where it is intends to distribute the light concentrated by it on an element receiver (linear white) and, more importantly, than the keep static in that direction, without the reflection of the light off the optical axis I managed to pick it since, at all times, the focal line lies on the main image plane, motionless, remaining "confined" throughout the day.
El helióstato cilíndrico objeto de la invención, aventaja claramente al helióstato esférico convencional en aquellas aplicaciones en que la energía radiante del Sol reflejada sobre un determinado receptor requiera ser específicamente concentrada a lo largo de una línea o dirección preferente. En este caso la forma de la distribución de flujo sobre el receptor ya no es gaussiana circular o elíptica, sino que tendrá un perfil gaussiano en una dirección y recto en la dirección ortogonal, que coincide con la de la línea focal del helióstato. Las ventajas que se derivan de este hecho son, básicamente:The cylindrical heliostat object of the invention, clearly outperforms conventional spherical heliostat in those applications in which the radiant energy of the Sun reflected on a certain receiver needs to be specifically concentrated at along a preferred line or address. In this case the form of The flow distribution over the receiver is no longer Gaussian circular or elliptical, but will have a Gaussian profile in a direction and straight in the orthogonal direction, which coincides with that of the focal line of the heliostat. The advantages that derive from this done are basically:
- 1.one.
- Perfil de irradiancia individual por defecto de cada helióstato sobre el blanco coincidente con el de diseño para la totalidad del campo, lo que evita la construcción de éste último mediante una composición de perfiles gaussianos individuales de irradiancia (estrategia de apunte).Individual irradiance profile by defect of each heliostat on the target coinciding with that of design for the entire field, which prevents the construction of the latter through a composition of Gaussian profiles individual irradiance (aiming strategy).
- 2.2.
- Distribución global de irradiancia más estable sobre el receptor, por cuanto no hay escoramiento (giro sobre el plano del blanco de cada una de las distribuciones individuales de irradiancia) a lo largo del día, debido a la inmovilidad y orientación del eje geométrico secundario de los helióstatos.Global irradiance distribution more stable on the receiver, because there is no picking (turn on the white plane of each of the distributions individual irradiance) throughout the day, due to the immobility and orientation of the secondary geometric axis of the heliostats
- 3.3.
- Perfil de irradiancia orientable, ya que el mecanismo permite orientar el eje geométrico secundario del helióstato en cualquier dirección.Adjustable irradiance profile, already that the mechanism allows to orientate the secondary geometric axis of the heliostat in any direction.
- 4.Four.
- Amortiguamiento de los clásicos picos de irradiancia por causas diversas durante la operación, tales como desenfoques espurios de helióstatos (averías, pérdidas de control), presencia de nubes sombreando parcialmente el campo de helióstatos, pérdida de comunicaciones, etc. Ello se debe a que el perfil por defecto de cada helióstato no admite la presencia de picos abruptos de concentración.Damping of the classic irradiance peaks due to various causes during the operation, such as spurious blurring of heliostats (breakdowns, loss of control), presence of clouds partially shading the heliostat field, loss of communications, etc. This is because the default profile of each heliostat does not support the presence of abrupt concentration peaks.
- 5.5.
- Ausencia de estrategias dinámicas de apunte, lo que permitirá una operación relajada y más segura de la planta, ya que cada helióstato apuntará a lo largo de la operación rutinaria a un solo lugar.Absence of dynamic strategies of point, which will allow a relaxed and safer operation of the plant, since each heliostat will aim throughout the operation Routine to one place.
- 6.6.
- Simplificación del procedimiento de alineación o canteo del helióstato faceteado ya que no hay dos direcciones de alineación sino una. Ello reduce el tiempo de puesta a punto del helióstato en campo.Simplification of the alignment procedure or edging of the faceted heliostat since there are no two directions of alignment but one. This reduces the set-up time of the heliostat in the field.
- 7.7.
- Alivio de tensiones en la superficie reflectante del helióstato, ya que, al ser cilíndrica, eliminamos una de las curvaturas. Este hecho alargará previsiblemente la vida media de dicha superficie.Relief of surface tensions heliostat reflective, since, being cylindrical, we eliminate One of the curvatures. This fact will foreseeably extend life average of said surface.
Para completar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:To complete the description above and with in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a detailed description of a preferred embodiment based on a set of drawings that accompany this descriptive report, and where with character merely indicative and not limiting what has been represented next:
La figura 1 muestra una planta termo-solar de receptor central donde puede utilizarse el helióstato de la invención.Figure 1 shows a plant central receiver thermo-solar where you can the heliostat of the invention be used.
La figura 2 representa un detalle del receptor mostrando la imagen circular del sol producida por un helióstato convencional de superficie reflectante esférica.Figure 2 represents a detail of the receiver showing the circular image of the sun produced by a heliostat Conventional spherical reflective surface.
La figura 3 representa un detalle del receptor mostrando la imagen alargada del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica a mediodía.Figure 3 represents a detail of the receiver showing the elongated image of the sun produced by a surface cylindrical reflective at noon.
La figura 4a muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en montaje convencional, por la mañana.Figure 4a shows the image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in conventional mounting, in the morning.
La figura 4b muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en montaje convencional, a mediodía.Figure 4b shows the image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in conventional mounting, at noon.
La figura 4c muestra la imagen alargada del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en montaje convencional, por la tarde.Figure 4c shows the elongated image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in assembly Conventional, in the afternoon.
La figura 5a muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en el montaje de la invención, por la mañana.Figure 5a shows the image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in the assembly of the invention, in the morning.
La figura 5b muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en el montaje de la invención, a mediodía.Figure 5b shows the image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in the assembly of the invention, at noon.
La figura 5c muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilíndrica en el montaje de la invención, por la tarde.Figure 5c shows the image of the sun produced by a cylindrical reflective surface in the assembly of the invention, in the afternoon.
La figura 6 muestra una vista en perspectiva trasera de la montura "horizontal" de un helióstato con superficie reflectante cilíndrica.Figure 6 shows a perspective view rear of the "horizontal" mount of a heliostat with cylindrical reflective surface.
La figura 7 muestra una vista en perspectiva trasera de una montura "seudo-horizontal" de una variante del helióstato de la invención con superficie reflectante cilíndrica.Figure 7 shows a perspective view rear of a "pseudo-horizontal" mount of a variant of the heliostat of the invention with surface cylindrical reflective.
La figura 8 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención, en configuración general.Figure 8 shows an elevation of the heliostat object of the invention, in general configuration.
La figura 9 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención en una realización preferida en el que el blanco lineal se dispone vertical y el soporte móvil es de tipo horquilla.Figure 9 shows an elevation of the heliostat object of the invention in a preferred embodiment in which the Linear white is arranged vertically and the mobile stand is of type fork.
La figura 10 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención en una realización preferida en el que el blanco lineal se dispone vertical y el soporte móvil es recto, dando lugar a una configuración de la superficie reflectante en "badajo".Figure 10 shows an elevation of the heliostat object of the invention in a preferred embodiment in which the Linear white is arranged vertically and the mobile stand is straight, giving place to a reflective surface configuration in "clapper".
La figura 11 muestra una vista lateral del helióstato de la figura 9.Figure 11 shows a side view of the heliostat of figure 9.
La figura 12 muestra una vista en planta del helióstato de la figura 9.Figure 12 shows a plan view of the heliostat of figure 9.
La figura 13 muestra, esquemáticamente, las posiciones de la tierra respecto al sol durante los solsticios.Figure 13 shows, schematically, the positions of the earth with respect to the sun during the solstices.
La figura 14 muestra, esquemáticamente, uno de los dispositivos conocidos en la técnica anterior y su disposición en relación con el recorrido aparente del sol respecto al plano del suelo para los solsticios y equinoccios,Figure 14 shows, schematically, one of the devices known in the prior art and their arrangement in relation to the apparent path of the sun with respect to the plane of the soil for solstices and equinoxes,
La figura 15 muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial en que se fundamenta la invención.Figure 15 shows, schematically in perspective, the spatial geometry on which the invention.
La figura 16 es un alzado de la figura 15.Figure 16 is an elevation of Figure 15.
La figura 17a muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial de un helióstato de montaje convencional.Figure 17a shows, schematically in perspective, the spatial geometry of a mounting heliostat conventional.
La figura 17b muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial de un helióstato con el montaje de la invención.Figure 17b shows schematically in perspective, the spatial geometry of a heliostat with mounting of the invention.
La figura 18a muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento acimutal de un helióstato de montaje convencional.Figure 18a shows, schematically in perspective, the azimuthal movement of a mounting heliostat conventional.
La figura 18b muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento acimutal de un helióstato con el montaje de la invención.Figure 18b shows, schematically in perspective, the azimuth motion of a heliostat with the mount of the invention.
La figura 19a muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento cenital de un helióstato de montaje convencional.Figure 19a shows, schematically in perspective, the zenith movement of a mounting heliostat conventional.
La figura 19b muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento cenital de un helióstato con el montaje de la invención.Figure 19b shows, schematically in perspective, the zenith movement of a heliostat with the assembly of the invention.
Se hace notar que las figuras 1 a 7 corresponden al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad de la invención, las figuras 8 a 12 corresponden a la descripción estructural de la invención, y las figuras 13 a 19 corresponden a la explicación del modo de funcionamiento de la invención.It is noted that figures 1 to 7 correspond to the field of application of the invention, prior art and necessity of the invention, figures 8 to 12 correspond to the structural description of the invention, and figures 13 to 19 correspond to the explanation of the mode of operation of the invention.
En dichas figuras las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos.In these figures the numerical references correspond to the following parts and elements.
- 1.one.
- Superficie reflectante.Reflective surface.
- 2.2.
- Soporte móvil.Mobile support.
- 3.3.
- Eje primario.Axis primary.
- 4.Four.
- Accionamiento primario.Primary drive.
- 5.5.
- Eje secundario.Axis secondary.
- 6.6.
- Accionamiento secundario.Secondary drive
- 7.7.
- Pedestal.Pedestal.
- 8.8.
- Dispositivo de control.Control device.
- 9.9.
- Eje cenital.Axis zenithal
- 10.10.
- Plano principal imagen.Main plane image.
- 11.eleven.
- Blanco lineal.Linear white.
- 12.12.
- Sol.Sun.
- 13.13.
- Tierra.Earth.
- 14.14.
- Eje de giro norte-sur de la tierra.Axis of north-south turn of the earth.
- 15.fifteen.
- Eclíptica.Ecliptic.
- 16.16.
- Suelo.Ground.
- 17.17.
- Plano aparente en los equinoccios.Apparent plane in the Equinoxes
- 18.18.
- Plano aparente en el solsticio de verano.Apparent plane in the solstice of summer.
- 19.19.
- Plano aparente en el solsticio de invierno.Apparent plane in the solstice of winter.
- 20.twenty.
- Plano principal objeto.Main plane object.
- 21.twenty-one.
- Plano bisectriz.Bisector plane.
- 22.22
- Rayo principal incidente.Thunderbolt main incident
- 23.2. 3.
- Rayo principal reflejado.Thunderbolt Main reflected.
- 24.24.
- Plano de reflexión.Reflection plane
- 25.25.
- Eje óptico.Axis optical.
- 26.26.
- Torre.Tower.
- 27.27.
- Reflectores planos.Flat reflectors.
- 28.28.
- Colector.Manifold.
La figura 1 muestra una planta termo-solar de receptor central, donde se ha representado un detalle de la zona de la torre en que se ubica el blanco. En una instalación convencional, con heliostatos de superficie reflectante esférica, la imagen proyectada por cada uno de ellos sobre el blanco es circular, tal como se ve en la figura 2. Si, como es el caso, una dimensión de este es considerablemente mayor que la dimensión transversal será necesario recurrir a una estrategia de apunte de los distintos heliostatos para cubrir el blanco. Alternativamente, y según se aprecia en la figura 3, la utilización de una superficie reflectante cilíndrica permite cubrir la totalidad del blanco con un solo heliostato. De esta forma todos los heliostatos del campo apuntan al mismo lugar, simplificándose considerablemente la operación de la planta.Figure 1 shows a plant central receiver thermo-solar, where it has represented a detail of the area of the tower in which the White. In a conventional installation, with heliostats of spherical reflective surface, the image projected by each of them on the target is circular, as seen in figure 2. If, as is the case, a dimension of this is considerably greater than the transversal dimension it will be necessary to resort to a aiming strategy of the different heliostats to cover the White. Alternatively, and as seen in Figure 3, the use of a cylindrical reflective surface allows to cover the entire target with a single heliostat. In this way everyone field heliostats point to the same place, simplifying considerably the operation of the plant.
Sin embargo, si nos limitamos a equipar un heliostato de montaje convencional con una superficie reflectante cilíndrica solo obtendremos una imagen vertical a mediodía tal como se representa en la figura 4b. Por la mañana la imagen aparecerá escorada en un sentido (figura 4a), mientras que por la tarde la imagen escorará en sentido contrario (figura 4c). Puesto que el objetivo es que la imagen no escore a lo largo del día, tal como se representa en las figuras 5a, 5b y 5c, deberemos modificar el montaje de la superficie reflectante.However, if we just equip a conventional mounting heliostat with a reflective surface cylindrical we will only get a vertical image at noon such as It is represented in Figure 4b. In the morning the image will appear selected in one direction (figure 4a), while in the afternoon the image will choose in the opposite direction (figure 4c). Since the objective is that the image does not sting throughout the day, as it is represented in figures 5a, 5b and 5c, we must modify the Reflective surface mount.
En la figura 6 se muestra el montaje convencional de un heliostato al que se ha equipado de una superficie reflectante cilíndrica. La imagen proyectada sobre el blanco corresponde a lo representado en las figuras 4a, 4b y 4c. Obsérvese como el eje primario (3) se introduce en el pedestal (7), mientras que el eje secundario (5) es "arrastrado" por el propio eje primario (3). Denominaremos a una tal configuración como "7-3-5" según las referencias numéricas utilizadas.Figure 6 shows the assembly conventional of a heliostat that has been equipped with a cylindrical reflective surface. The image projected on the white corresponds to what is represented in figures 4a, 4b and 4c. Note how the primary axis (3) is inserted into the pedestal (7), while the secondary axis (5) is "dragged" by the own primary axis (3). We will call such a configuration as "7-3-5" according to references Numeric used.
La solución propuesta, para obtener una imagen sin escoramiento pasa, como condición previa, por inmovilizar el eje secundario tal como se ha explicado anteriormente. En la figura 7 se muestra el nuevo montaje utilizado en el heliostato de la invención, en el que el eje secundario (5) está relacionado directamente con el pedestal (7), mientras que el eje primario (3) es "arrastrado" por el propio eje secundario (5). Denominaremos a una tal configuración como "7-5-3" para distinguirla de la configuración "7-3-5" convencional,resaltando que presenta un comportamiento funcional radicalmente distinto. Más adelante justificaremos la necesidad de esta elección para alcanzar el objetivo propuesto.The proposed solution, to obtain an image without screening, as a precondition, it passes by immobilizing the secondary axis as explained above. In the figure 7 shows the new assembly used in the heliostat of the invention, in which the secondary axis (5) is related directly with the pedestal (7), while the primary axis (3) it is "dragged" by the secondary axis itself (5). We will name to such a configuration as "7-5-3" to distinguish it from the configuration "7-3-5" conventional, highlighting that it presents a functional behavior radically different. Later we will justify the need to this choice to achieve the proposed objective.
Aún cuando el montaje de la figura 7 es funcionalmente correcto, no resulta muy práctico desde un punto de vista constructivo. Además, la no coincidencia entre el eje primario (3) y la generatriz central de la superficie cilíndrica reflectante puede introducir ciertas aberraciones de enfoque. Finalmente, tal como puede apreciarse en la figura 7, podría producirse una interferencia del propio pedestal (7) en el movimiento de la superficie reflectante.Even when the assembly of figure 7 is functionally correct, it is not very practical from a point of constructive view In addition, the mismatch between the primary axis (3) and the central generatrix of the cylindrical reflective surface You can enter certain focus aberrations. Finally such as can be seen in figure 7, a interference of the pedestal itself (7) in the movement of the reflective surface.
En la figura 8 se muestra una realización preferida desde el tipo de vista constructivo, en la que no se ha introducido restricción alguna en cuanto a la orientación del blanco. El helióstato objeto de la invención comprende una superficie reflectante (1), cilíndrica o cilindro-parabólica, capaz de girar mediante un accionamiento primario (4) alrededor de un eje geométrico primario (3) solidario de un soporte móvil (2) que, a su vez, es capaz de girar alrededor de un eje geométrico secundario (5) perpendicular al eje geométrico primario (3) y que forma un ángulo de inclinación \alpha con el eje cenital (9), mediante un accionamiento secundario (6). Ambos accionamientos (4) (6) están gobernados por un dispositivo de control (8). El conjunto esta soportado por un pedestal (7) cuyo diseño debe ser tal que permita el movimiento de la superficie reflectante (1) y del soporte móvil (2) sin interferir con el propio pedestal (7). La superficie reflectante (1) es, preferiblemente, de óptica cilíndrica o cilíndrico-parabólica.An embodiment is shown in Figure 8 preferred from the type of constructive view, in which it has not been introduced any restriction regarding the orientation of the White. The heliostat object of the invention comprises a reflective surface (1), cylindrical or parabolic trough, capable of rotating through a primary drive (4) around a primary geometric axis (3) supportive of a mobile support (2) which, in turn, is capable of rotate around a secondary geometric axis (5) perpendicular to the primary geometric axis (3) and forming an angle of inclination α with the zenith axis (9), by means of a drive secondary (6). Both drives (4) (6) are governed by a control device (8). The set is supported by a pedestal (7) whose design must be such that it allows the movement of the reflective surface (1) and the mobile support (2) without interfering with the pedestal itself (7). The reflective surface (1) is, preferably, cylindrical optics or cylindrical-parabolic.
En una realización particular, que denominaremos de montaje cenital, se dispone el blanco lineal (11) en posición vertical sobre una torre (26) con lo que la línea focal, al coincidir con el mismo, será también vertical, lo que conduce a una disposición como la mostrada en las figuras 9, 10, 11, 12, 15 y 16, en la que el eje secundario (5) es horizontal y el eje primario (3) esta contenido en el denominado plano principal imagen (10), vertical.In a particular embodiment, which we will call zenith mount, linear target (11) is placed in position vertical on a tower (26) so that the focal line, when match it, it will also be vertical, which leads to a arrangement as shown in figures 9, 10, 11, 12, 15 and 16, in which the secondary axis (5) is horizontal and the primary axis (3) this content in the so-called main image plane (10), vertical.
La figura 10 muestra una variante del helióstato de la invención con un solo punto de apoyo de la superficie reflectante (1), para constituir una configuración de tipo "badajo" en contraposición a la configuración de tipo "horquilla" mostrada en la figura 9. Una tal solución, muy simple, presenta sin embargo unas mayores solicitaciones en el único punto de sujeción del eje primario (3) al soporte móvil (2).Figure 10 shows a variant of the heliostat of the invention with a single surface support point reflective (1), to constitute a type configuration "clapper" as opposed to type setting "fork" shown in figure 9. One such solution, very simple, however, it presents some major requests in the only fastening point of the primary shaft (3) to the mobile support (2).
Haciendo referencia ahora a las figuras 12, 15 y 16 podemos observar como el eje primario (3) está contenido en el plano principal imagen (10), que a su vez contiene a la línea focal del helióstato, y al blanco lineal (11). Para que el eje primario (3) este contenido en todo momento en el plano principal imagen (10), el eje secundario (5)deberá ser perpendicular al plano principal imagen (10), y por tanto horizontal, por lo que queda definido durante el montaje inicial del helióstato, no dependiendo su orientación más que de la posición relativa del helióstato respecto al blanco.Referring now to figures 12, 15 and 16 we can see how the primary axis (3) is contained in the main plane image (10), which in turn contains the focal line of the heliostat, and the linear blank (11). So that the primary axis (3) this content at all times in the main image plane (10), the secondary axis (5) must be perpendicular to the plane main image (10), and therefore horizontal, so it remains defined during the initial assembly of the heliostat, not depending its orientation rather than the relative position of the heliostat Regarding the target.
El montaje inicial de un helióstato como el descrito es muy sencillo, bastando en una primera fase con disponer vertical el eje primario (3) para que quede contenido en un plano vertical que pase por el blanco lineal (11) para, en una segunda fase orientar el eje secundario (5) de forma perpendicular a dicho plano.The initial assembly of a heliostat like the described is very simple, just in a first phase with having vertical the primary axis (3) so that it is contained in a plane vertical that passes through the linear blank (11) for, in a second phase orient the secondary axis (5) perpendicular to said flat.
Para poder explicar el método de operación de un tal helióstato y refiriéndonos a las figuras 13 y 14 realizaremos una introducción somera al movimiento aparente del sol respecto a la tierra, lo que en todo caso será sobradamente conocido por el experto en la materia. En la figura 13 se ha representado, muy esquemáticamente, la posición de la tierra (13) en su movimiento alrededor del sol (12) cuando recorre la eclíptica (15). Debido a la inclinación del eje de giro norte-sur de la tierra (14), respecto al plano de la eclíptica (15) en un ángulo de 23 grados 27 minutos, los rayos del sol (12) inciden sobre un punto de la superficie terrestre con un ángulo de incidencia variable a lo largo del año. Este ángulo de incidencia será máximo en el solsticio de verano (posición A) y mínimo en el solsticio de invierno (posición B). La posición de la tierra (13) para los equinoccios correspondería en esta figura a un eje perpendicular al plano de la misma sobre la posición en la que se ha representado el sol (12). En la figura 14 se muestra, muy esquemáticamente, el movimiento aparente del sol respecto al suelo (16), habiéndose representado el plano aparente en los equinoccios (17), el plano aparente en el solsticio de verano (18) y el plano aparente en el solsticio de invierno (19). El observador O verá el orto y el ocaso del sol desviado hacia el norte (N) en el solsticio de verano (V) y desviado hacia el sur (S) en el solsticio de invierno (I), mientras que en los equinoccios el sol sale por el este y se pone por el oeste con un recorrido aparente de 180 grados. En la figura 14 se ha representado, asimismo, el concentrador solar de Anderson tal como se describe en US 3,861,379. Si el conjunto de reflectores planos (27) se dispone perpendicular y centrado respecto al plano aparente en los equinoccios (17), la imagen del sol convertida en una línea será proyectada sobre el colector (28) solo en los equinoccios, sufriendo para los demás días del año un desplazamiento longitudinal sobre el mismo que será máximo en los solsticios. Esta penalización es el resultado inevitable del control en un solo eje, y en el caso del concentrador de Anderson es admisible debido a la pequeña distancia focal "d".In order to explain the method of operation of a such heliostat and referring to figures 13 and 14 we will perform a brief introduction to the apparent movement of the sun with respect to the land, which in any case will be well known by the skilled. In figure 13 it has been represented, very schematically, the position of the earth (13) in its movement around the sun (12) when it travels the ecliptic (15). Due to the tilt of the north-south axis of rotation of the earth (14), with respect to the plane of the ecliptic (15) at an angle of 23 degrees 27 minutes, the sun's rays (12) hit a point of the earth's surface with an angle of incidence variable at throughout the year This angle of incidence will be maximum at the solstice summer (position A) and minimum in the winter solstice (position B). The position of the earth (13) for the equinoxes would correspond in this figure to an axis perpendicular to the plane of the same about the position in which the sun has been represented (12). In Figure 14 shows, very schematically, the movement apparent of the sun with respect to the ground (16), having represented the apparent plane in the equinoxes (17), the apparent plane in the summer solstice (18) and the apparent plane in the solstice of Winter (19) The observer O will see the ortho and the sunset of the sun diverted to the north (N) at the summer solstice (V) and diverted heading south (S) in the winter solstice (I), while in the equinoxes the sun rises in the east and sets in the west with an apparent 180 degree travel. In figure 14 it has also represented the Anderson solar concentrator as It is described in US 3,861,379. If the set of flat reflectors (27) is arranged perpendicular and centered with respect to the apparent plane in the equinoxes (17), the image of the sun converted into a line it will be projected on the collector (28) only in the equinoxes, suffering for the other days of the year a longitudinal displacement on the same that will be maximum in solstices. This penalty it is the inevitable result of single axis control, and in the case of the Anderson concentrator is admissible due to the small focal length "d".
Refiriéndonos ahora a las figuras 11, 12, 15 y 16, para un helióstato como el descrito en la presente invención el método de operación reside, básicamente, en gobernar los dos accionamientos (4) (6) de tal manera que se asegure que la energía radiante reflejada por el helióstato incida en todo momento sobre el blanco lineal (11) a lo largo de cada día y para todos los días del año. Según la ley de la reflexión especular, el rayo principal incidente (22) y el rayo principal reflejado (23) están en el mismo plano de reflexión (24), y el eje óptico (25) del helióstato debe estar asimismo sobre la recta bisectriz de ambos rayos principales, definida esta bisectriz como intersección del plano de reflexión (24) con el plano bisectriz (21) del plano principal objeto (20) y del plano principal imagen (10). Esto exige:Referring now to figures 11, 12, 15 and 16, for a heliostat as described in the present invention the operation method lies basically in governing the two drives (4) (6) in such a way as to ensure that the energy radiant reflected by the heliostat at all times affects the linear white (11) throughout each day and for every day of the year. According to the law of specular reflection, the main ray incident (22) and the reflected main beam (23) are in the same reflection plane (24), and the optical axis (25) of the heliostat must be also on the bisector line of both main rays, defined this bisector as the intersection of the reflection plane (24) with the bisector plane (21) of the main object plane (20) and of the main image plane (10). This requires:
- \bullet?
- Un movimiento del accionamiento primario (4) para llevar el eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) un ángulo lateral \gamma sobre el plano bisectriz (21). Ver figura 12.A drive movement primary (4) to carry the optical axis (25) of the surface reflective (1) a lateral angle? on the bisector plane (twenty-one). See figure 12.
- \bullet?
- Un movimiento del accionamiento secundario (6) para, teniendo en cuenta que las posiciones del sol y del blanco están predefinidas, variar el ángulo de elevación \beta del soporte móvil (2), con objeto de llevar al eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) sobre el plano de reflexión (24). Ver figura 11.A drive movement secondary (6) for, taking into account that the positions of the sun and of the target are predefined, vary the angle of elevation? of the mobile support (2), in order to carry the optical axis (25) of the reflective surface (1) on the reflection plane (24). Watch figure 11.
A continuación analizaremos, en un ejemplo simplificado, el funcionamiento paso a paso de un helióstato convencional y del helióstato de la invención resaltando las razones que conducen a la especial estructura y disposición de este último.Next we will analyze, in an example Simplified, step-by-step operation of a heliostat conventional and heliostat of the invention highlighting the reasons that lead to the special structure and layout of this latest.
La figura 17a muestra esquemáticamente un helióstato de óptica cilíndrica y montura convencional horizontal, del tipo representado en la figura 6, en posición de reposo, con el eje primario vertical, orientada su superficie reflectante hacia el Sur que es donde además se supone que esta el blanco (la orientación de dicha superficie viene fijada por la dirección y sentido del vector unitario normal \hat{n} que pasa por su centro). La generatriz central g de dicha superficie cilíndrica está contenida en el plano \pi del meridiano del lugar y es, por construcción, normal al plano del horizonte astronómico local. Según la figura 17a, si proyectáramos dicha generatriz central en dirección Sur sobre un plano \pi' normal al horizonte, la línea resultante seguiría contenida en el meridiano del lugar. Veamos cómo afecta el movimiento de orientación del helióstato a esta proyección de su generatriz central y sus consecuencias desde un punto de vista óptico. Debido a la naturaleza de su montura mecánica, el helióstato se orienta en el espacio euclídeo por medio de dos mecanismos de giro: a) el mecanismo de giro acimutal \Omega_{acim}, que se ejecuta en torno a un eje vertical al plano del horizonte, denominado eje primario (3), y que coincide normalmente con el eje del pedestal del helióstato; y b) el mecanismo de giro cenital \Omega_{cen}, que se ejecuta en torno a un eje paralelo al plano del horizonte, denominado eje secundario (5) y que coincide normalmente con el brazo soporte horizontal del helióstato. Supongamos que el Sol se encuentra ahora, por la mañana, en algún lugar sobre el plano del horizonte, de forma que el helióstato –obedeciendo a las leyes de la Óptica Geométrica- necesita orientarse en este sistema coordenado para reflejar y mantener la imagen del Sol sobre un receptor solar fijo, con forma alargada y vertical, situado en lo alto de una torre a lo largo del día. Tal y como se estableció anteriormente, el helióstato debe forzosamente alcanzar la orientación para el correcto apunte al blanco fijo ejecutando dos giros bien definidos. El primero de ellos, de acuerdo con la figura 18a, es el giro acimutal \Omega_{acim} en torno al eje primario, cuyo ángulo de giro suponemos de una magnitud w_{acim}. De la figura se deduce asimismo que la orientación del eje primario no se altera con el giro pero, debido a una ligadura mecánica entre ellos, como consecuencia de este primer giro el eje secundario abandona su orientación inicial y gira exactamente un ángulo de magnitud w_{acim}. En la nueva orientación, la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante del helióstato va a proyectarse sobre la base de la torre, todavía con todos sus rayos contenidos en el plano \pi del meridiano del lugar. Como quiera que el receptor solar está arriba de la torre, el helióstato deberá ejecutar ahora el segundo giro que aún le falta para elevar la imagen al punto deseado. La figura 19a muestra el giro cenital \Omega_{cen} de magnitud w_{cen} que debe ejecutar en torno al eje secundario para alcanzar el objetivo. La cuestión fundamental es ahora: ¿en qué posición se encuentra después de este segundo giro la generatriz central g del helióstato? Al haberse alterado la orientación del eje secundario debido al giro acimutal, y girar ahora la superficie reflectante en torno a éste, la generatriz central g se inclina sobre el plano del horizonte al tiempo que abandona también el plano del meridiano del lugar. Desde un punto de vista óptico, la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie cilíndrica va a proyectarse sobre el receptor solar en lo alto de la torre, pero sus rayos ya no están íntegramente contenidos en el plano del meridiano del lugar. Sumariamente, el procedimiento de apunte del helióstato ha tenido como consecuencia geométrica el sacar del plano meridiano tanto la generatriz central como su proyección sobre el blanco y, en consecuencia para la óptica, el de escorar la línea focal sobre dicho blanco, perdiendo así el requisito de verticalidad. Es decir, la imagen lineal dada por el helióstato se adapta al receptor solar en cuanto a la forma (alargada), pero no en cuanto al requisito de orientación (vertical). Las consecuencias sobre la distribución de irradiancia solar sobre el receptor lineal se muestran en la figura 4 a través del análisis de las líneas de isoflujo de energía.Figure 17a schematically shows a cylindrical optic heliostat and conventional horizontal mount , of the type shown in Figure 6, in the rest position, with the vertical primary axis, oriented its reflective surface towards the South which is where it is also assumed that the white (the orientation of said surface is fixed by the direction and direction of the normal unit vector \ hat {n} that passes through its center). The central generatrix g of said cylindrical surface is contained in the plane \ pi of the meridian of the place and is, by construction, normal to the plane of the local astronomical horizon. According to Figure 17a, if we projected said central generatrix in the South direction on a plane π 'normal to the horizon, the resulting line would remain contained in the meridian of the place . Let's see how the orientation movement of the heliostat affects this projection of its central generatrix and its consequences from an optical point of view. Due to the nature of its mechanical mount , the heliostat is oriented in the Euclidean space by means of two turning mechanisms: a) the azimuth turning mechanism \ Omega_ {acim}, which runs around a vertical axis to the plane of the plane horizon, called the primary axis (3), and which normally coincides with the axis of the heliostat pedestal ; and b) the zenith \ Omega_ {cen} mechanism, which runs around an axis parallel to the plane of the horizon, called the secondary axis (5) and normally coincides with the horizontal support arm of the heliostat. Suppose the Sun is now, in the morning, somewhere on the plane of the horizon, so that the heliostat - obeying the laws of Geometric Optics - needs to orient itself in this coordinate system to reflect and maintain the image of the Sun on a fixed solar receiver, with an elongated and vertical shape , located on top of a tower throughout the day. As stated above, the heliostat must necessarily reach the orientation for the correct aim at the fixed target by executing two well-defined turns. The first of these, according to Figure 18a, is the azimuth turn \ Omega_ {acim} around the primary axis, whose angle of rotation we assume a magnitude w_ {acim}. It also follows from the figure that the orientation of the primary axis is not altered with the rotation but, due to a mechanical bond between them, as a consequence of this first rotation the secondary axis leaves its initial orientation and rotates exactly an angle of magnitude w_ { acim} . In the new orientation, the family of solar rays reflected in the central generatrix of the reflective surface of the heliostat will project on the base of the tower, still with all its rays contained in the plane \ pi of the meridian of the place. Since the solar receiver is on top of the tower, the heliostat should now execute the second turn that is still missing to raise the image to the desired point. Figure 19a shows the zenith turn \ Omega_ {cen} of magnitude w_ {cen} that must be executed around the secondary axis to achieve the objective. The fundamental question is now: in what position is the central generatrix g of the heliostat found after this second turn? When the orientation of the secondary axis has been altered due to the azimuthal rotation, and now the reflective surface is rotated around it, the central generatrix g bends over the plane of the horizon while also leaving the plane of the meridian of the place . From an optical point of view, the family of solar rays reflected in the central generatrix of the cylindrical surface will be projected on the solar receiver at the top of the tower, but its rays are no longer fully contained in the plane of the meridian of the place . In summary, the heliostat aiming procedure has had as a geometric consequence the removal of both the central generatrix and its projection on the target from the meridian plane and, consequently for optics, that of selecting the focal line on said target, thus losing the requirement of verticality That is, the linear image given by the heliostat adapts to the solar receiver in terms of shape (elongated) , but not in terms of the orientation requirement (vertical) . The consequences on the distribution of solar irradiance on the linear receiver are shown in Figure 4 through the analysis of the energy isoflow lines.
La figura 17b muestra esquemáticamente un caso particular de helióstato de óptica cilíndrica y montura seudo-horizontal, similar al de la figura 10, en posición de reposo, con el eje primario vertical, orientada su superficie reflectante hacia el Sur (la orientación de dicha superficie viene fijada por la dirección y sentido del vector unitario normal \hat{n} que pasa por su centro). La generatriz central g de dicha superficie cilíndrica está contenida en el plano \pi del meridiano del lugar y es, por construcción, normal al plano del horizonte astronómico local. Según la figura 17b, si proyectáramos esta generatriz central en dirección Sur sobre un plano \pi' normal al horizonte, la línea resultante seguiría contenida en el meridiano del lugar. Veamos de nuevo cómo afecta el movimiento de orientación del helióstato objeto de la invención a esta proyección de su generatriz central y sus consecuencias desde un punto de vista óptico. Debido a la naturaleza de su montura mecánica seudo-horizontal, el helióstato se orienta en el espacio euclídeo por medio de dos mecanismos de giro: a) el mecanismo de giro acimutal \Omega_{acim}, que se ejecuta en torno a un eje ortogonal al plano del horizonte, denominado eje primario (3) y cuya orientación coincide con la de la generatriz central del helióstato; y b) el mecanismo de giro cenital \Omega_{cen}, que se ejecuta en torno a un eje paralelo al plano del horizonte, denominado eje secundario (5) y que coincide en este caso con el brazo soporte horizontal del helióstato. Supongamos que el Sol se encuentra ahora en algún lugar sobre el plano del horizonte, de forma que el helióstato -obedeciendo a las leyes de la Óptica Geométrica- necesita orientarse en este sistema coordenado para reflejar y mantener la imagen del Sol sobre un receptor solar fijo, con forma alargada y vertical, situado en lo alto de una torre. Tal y como sucedió con el modelo convencional, el helióstato propuesto debe forzosamente alcanzar la orientación adecuada ejecutando dos giros bien definidos. El primero de ellos, de acuerdo con la figura 18b, es el giro acimutal \Omega_{acim}, cuyo ángulo de giro suponemos de una magnitud w_{az}. De la figura se deduce también que la orientación del eje primario no se altera con el giro; asimismo, debido a la especial relación mecánica entre ambos ejes, el eje secundario no altera tampoco su orientación inicial como consecuencia del primer giro \Omega_{acim}. La familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante del helióstato va a proyectarse sobre la base de la torre, pero con todos sus rayos contenidos aún en el plano \pi del meridiano del lugar.Figure 17b schematically shows a particular case of cylindrical optic heliostat and pseudo-horizontal mount , similar to that of Figure 10, in rest position, with the vertical primary axis, oriented its reflective surface towards the South (the orientation of said surface it is fixed by the direction and direction of the normal unit vector \ hat {n} that passes through its center). The central generatrix g of said cylindrical surface is contained in the plane \ pi of the meridian of the place and is, by construction, normal to the plane of the local astronomical horizon. According to Figure 17b, if we projected this central generatrix in the South direction on a plane \ pi 'normal to the horizon, the resulting line would remain contained in the meridian of the place . Let's see again how the orientation movement of the heliostat object of the invention affects this projection of its central generatrix and its consequences from an optical point of view. Due to the nature of its pseudo-horizontal mechanical mount , the heliostat is oriented in the Euclidean space by means of two turning mechanisms: a) the azimuthal rotation mechanism \ Omega_ {acim}, which runs around an orthogonal axis to the horizon plane, called the primary axis (3) and whose orientation coincides with that of the central generatrix of the heliostat; and b) the zenithal rotation mechanism \ Omega_ {cen}, which runs around an axis parallel to the plane of the horizon, called the secondary axis (5) and which coincides in this case with the horizontal support arm of the heliostat. Suppose the Sun is now somewhere on the horizon plane, so that the heliostat - obeying the laws of Geometric Optics - needs to be oriented in this coordinate system to reflect and maintain the image of the Sun on a fixed solar receiver. , with an elongated and vertical shape , located on top of a tower. As with the conventional model, the proposed heliostat must necessarily achieve the proper orientation by executing two well-defined turns. The first of these, according to Figure 18b, is the azimuth turn \ Omega_ {acim}, whose angle of rotation we assume of a magnitude w_ {az}. It also follows from the figure that the orientation of the primary axis is not altered with the rotation ; also, due to the special mechanical relationship between both axes, the secondary axis does not alter its initial orientation as a result of the first turn \ Omega_ {acim}. The family of solar rays reflected in the central generatrix of the reflective surface of the heliostat will be projected on the base of the tower, but with all its rays still contained in the plane \ pi of the meridian of the place .
Como quiera que el receptor solar está arriba de la torre, el helióstato deberá ejecutar ahora el giro que aún le falta para elevar la imagen al punto deseado. La figura 19b muestra el giro cenital \Omega_{cen} de magnitud w_{acen} que debe ejecutar en torno al eje secundario para alcanzar el objetivo. La cuestión esencial es ahora: ¿en qué posición se encuentra después de este segundo giro \Omega_{cen} la generatriz central del helióstato? Al no haberse alterado la orientación del eje secundario, y girar ahora la superficie cilíndrica en torno a éste, la generatriz central se inclina respecto al horizonte, pero continúa íntegramente contenida en el plano \pi del meridiano del luqar. Desde un punto de vista óptico, el resultado es que la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante cilíndrica va a proyectarse sobre el receptor solar en lo alto de la torre, pero con todos sus rayos contenidos en el plano del meridiano del lugar. Sumariamente, el resultado geométrico del procedimiento de apunte del helióstato ha sido el de confinar sobre el meridiano del lugar tanto la generatriz central de la superficie cilíndrica reflectante como su proyección sobre el blanco y, en consecuencia, la línea focal del sistema óptico permanece vertical sobre éste para cualquier posición solar. Es decir, la imagen dada por el helióstato, se adapta al receptor solar tanto en forma (alargada) como en orientación (vertical) para cualquier momento del día. Las consecuencias sobre la distribución de irradiancia solar sobre el receptor lineal, para una posición arbitraria del Sol, se muestran en las figuras 5a, 5b y 5c a través del análisis de las líneas de isoflujo de energía.Since the solar receiver is on top of the tower, the heliostat should now execute the spin that is still missing to raise the image to the desired point. Figure 19b shows the zenith turn \ Omega_ {cen} of magnitude w_ {acen} that must be executed around the secondary axis to achieve the objective. The essential question is now: in what position is the central generatrix of the heliostat after this second turn \ Omega_ {cen}? Since the orientation of the secondary axis has not been altered , and the cylindrical surface is now rotated around it, the central generatrix tilts with respect to the horizon, but remains fully contained in the plane \ pi of the luqar meridian . From an optical point of view, the result is that the family of solar rays reflected in the central generatrix of the cylindrical reflecting surface will project on the solar receiver at the top of the tower, but with all its rays contained in the plane of the meridian of the place . In summary, the geometric result of the heliostat pointing procedure has been to confine on the meridian of the place both the central generatrix of the reflective cylindrical surface and its projection on the target and , consequently, the focal line of the optical system remains vertical on this one for any solar position . That is, the image given by the heliostat, adapts to the solar receiver both in shape (elongated) and orientation (vertical) for any time of the day. The consequences on the distribution of solar irradiance on the linear receiver, for an arbitrary position of the Sun , are shown in Figures 5a, 5b and 5c through the analysis of the energy isoflow lines.
Serán evidentes para un experto en la materia una serie de alternativas de realización que permitan adaptar el diseño a las condiciones especificas técnicas y económicas de cada realización concreta. Así, por ejemplo, en la descripción de una realización preferida, representada en la figura 9, el soporte móvil (2) tiene forma de "horquilla" pero es evidente que podrá obtenerse el mismo resultado practico con cualquier otro montaje de sujeción de los ejes primario y secundario, incluyendo la superficie reflectora colgada en una disposición de tipo "badajo", tal como la representada en la figura 10.They will be evident to an expert in the field a series of realization alternatives that allow adapting the design to the specific technical and economic conditions of each concrete realization Thus, for example, in the description of a preferred embodiment, shown in Figure 9, the mobile support (2) is shaped like a "fork" but it is clear that obtain the same practical result with any other assembly of clamping of the primary and secondary axes, including the surface reflector hung in a "clapper" arrangement, such as depicted in figure 10.
Igualmente, el experto conoce sobradamente el movimiento relativo de la tierra y el sol a lo largo del año, por lo que podrá determinar la actuación del dispositivo de control (8) para asegurar que la imagen reflejada del sol incida en todo momento sobre el blanco lineal (11), a lo largo de cada día y para todos los días del año.Likewise, the expert knows the relative movement of the earth and the sun throughout the year, so which may determine the performance of the control device (8) to ensure that the reflected image of the sun affects at all times on the linear target (11), throughout each day and for all days of the year.
Claims (3)
- una superficie reflectante (1), cilíndrica o cilindro-parabólica, susceptible de girar respecto a un eje primario (3), coincidente con la generatriz central de la superficie reflectante (1).a surface reflective (1), cylindrical or parabolic trough, capable of rotating with respect to a primary axis (3), coinciding with the central generatrix of the reflective surface (1).
- un soporte móvil (2), susceptible de girar respecto a un eje secundario (5) perpendicular al eje primario (3), siendo el eje primario (3) solidario del soporte móvil (2), y disponiéndose el eje secundario (5) perpendicular a un plano principal imagen (10), inmóvil en el espacio, que contiene en todo momento al blanco lineal (11) y al eje primario (3),a mobile stand (2), capable of rotating with respect to a secondary axis (5) perpendicular to the primary axis (3), the primary axis (3) being solidarity of the mobile support (2), and the secondary axis being arranged (5) perpendicular to a main image plane (10), motionless in the space, which contains at all times the linear target (11) and the axis primary (3),
- un accionamiento primario (4) para hacer girar la superficie reflectante (1) alrededor del eje primario (3),a drive primary (4) to rotate the reflective surface (1) around the primary axis (3),
- un accionamiento secundario (6) para hacer girar el soporte móvil (2) alrededor del eje secundario (5),a drive secondary (6) to rotate the mobile support (2) around the secondary axis (5),
- un dispositivo de control (8) para gobernar el accionamiento primario (4) y el accionamiento secundario (6).a device control (8) to govern the primary drive (4) and the secondary drive (6).
- movimiento del accionamiento primario (4) para, teniendo en cuenta que las posiciones del sol (12) y del blanco lineal (11) están predefinidas, llevar el eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) un ángulo lateral \gamma sobre un plano bisectriz (21) del plano principal imagen (10) y del plano principal objeto (20) definidos como los que contienen al eje primario (3) y al rayo principal reflejado (23) o al rayo principal incidente (22) respectivamente,movement of primary drive (4) for, taking into account that the positions of the sun (12) and the linear target (11) are predefined, bring the optical axis (25) of the reflective surface (1) at an angle lateral γ on a bisector plane (21) of the main plane image (10) and the main object plane (20) defined as those contain the primary axis (3) and the main reflected beam (23) or to the main incident beam (22) respectively,
- movimiento del accionamiento secundario (6) para, teniendo en cuenta que las posiciones del sol (12) y del blanco lineal (11) están predefinidas, variar el ángulo de elevación \beta del soporte móvil (2), con objeto de llevar al eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) sobre el plano de reflexión (24), definido como el plano que contiene al rayo principal reflejado (23) y al rayo principal incidente (22);movement of secondary drive (6) for, taking into account that the positions of the sun (12) and the linear target (11) are predefined, vary the angle of elevation? of the mobile support (2), with object to carry the optical axis (25) of the reflective surface (1) on the reflection plane (24), defined as the plane that contains the reflected main beam (23) and the main beam incident (22);
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