ES2275399A1 - "dispositivo de ajuste para el sistema de seguimiento de colectores parabolicos". - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de ajuste para el sistema de seguimiento de colectores cilindro parabólicos. Para el ajuste básico inicial del sistema de seguimiento de un colector cilindro parabólico respecto a su orientación óptima al sol se mide la radiación solar reflejada por el espejo cilindro parabólico (11) que no alcanza el tubo absorbente. Con este objeto, se instalan paneles (25) con células fotovoltaicas sobre todos los segmentos absorbedores (14) del colector. Los paneles generan una señal en forma de corriente eléctrica que es proporcional a la radiación que no alcanza el tubo absorbente. Para el ajuste básico inicial del colector se ajusta la posición del colector respecto al sol, de tal manera que se mida un mínimo de corriente, lo que significa que en esta posición un máximo de la radiación alcanza el tubo absorbente del colector. Partiendo de este ajuste inicial, el sistema de seguimiento sigue manteniendo este ángulo óptimo entre colector y sol durante la futura operación.
Description
Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de colectores cilindro parabólicos.
La presente invención se refiere a un sistema
para poder llevar a cabo el ajuste básico inicial del sistema de
seguimiento solar de un colector cilindro parabólico.
Se conocen colectores cilindro parabólicos que
giran sobre un eje y así concentran con sus facetas la radiación
solar en una línea focal. En esta línea focal se encuentra el tubo
absorbente que está cubierto exteriormente por un tubo de vidrio
transparente y que está refrigerado en su interior por el fluido de
trabajo, que suele ser aceite térmico o agua. El tubo absorbente
está formado por varios segmentos absorbedores de unos 4m de
longitud soldados entre ellos de forma lineal. La mayor parte de la
radiación solar que se concentra sobre el tubo absorbente se
transforma en calor, siendo éste transferido al fluido de trabajo
que refrigera el tubo absorbente por dentro. Este tipo de
colectores cilindro parabólicos disponen de un sistema de
seguimiento de la trayectoria solar para poder orientar el colector
hacia el sol.
Los métodos conocidos para llevar a cabo este
seguimiento son por un lado el control mediante sensores solares y
por otro la orientación directa del colector a través del cálculo
de la posición del sol usando algoritmos solares. Estos métodos,
antes de aplicarlos, necesitan un ajuste básico inicial de manera
que el ángulo de orientación del colector respecto al sol sea
óptimo para minimizar todos los defectos de concentración que pueda
tener el colector.
Pequeñas discrepancias en este ajuste básico
pueden provocar pérdidas considerables de radiación respecto al
rendimiento del colector. Las causas que producen los defectos de
concentración suelen ser errores de los espejos (facetas), errores
del tubo absorbente o errores del sistema de seguimiento.
Los errores de los espejos representan las
desviaciones de curvatura y orientación reales con respecto a sus
valores ideales, de forma que tales errores impiden que se alcance
la concentración óptima en la línea focal del colector.
Los errores del tubo absorbente son desviaciones
físicas del tubo absorbente respecto a su posición ideal dentro de
la línea focal.
Por último, los errores del sistema de
seguimiento son responsables de que no se alcance la posición
óptima perpendicular de la apertura del colector respecto a la
radiación solar y, por tanto, de que la radiación reflejada por las
facetas no se concentre adecuadamente en la línea focal.
Todos estos defectos de concentración pueden
darse en diferentes zonas del colector de forma que se manifiesten
todos juntos o por separado, por lo que una posible compensación de
estos defectos es muy poco probable.
En la actualidad, para el ajuste básico del
sistema de seguimiento respecto a su orientación hacia el sol, se
lleva a cabo un procedimiento denominado "método de sombra del
tubo absorbente". Para el funcionamiento de este método el
colector deberá tener, en su centro y paralelo al tubo absorbente,
un espacio entre facetas cuya anchura es igual al diámetro del tubo
absorbedor.
Cuando el colector está orientado correctamente
hacia el sol, la sombra del tubo absorbente se proyecta
directamente sobre este espacio vacío de tal manera que la
superficie debajo del colector estará totalmente sombreada.
Cuando el colector esté orientado
incorrectamente, una franja pequeña de luz aparecerá en la
superficie que hay debajo del colector. En cuyo caso, y para el
ajuste básico del sistema de seguimiento, se ha de mover el
colector hasta que desaparezca completamente esta franja de luz.
Con este método se consigue un primer ajuste global que todavía no
se puede considerar muy satisfactorio porque aún existen pérdidas
causadas por un deficiente ajuste del sistema de seguimiento que
provocan un descenso del rendimiento del colector de hasta un
2%.
La presente invención pretende crear un sistema
para poder llevar a cabo el ajuste básico inicial del sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico con el objeto de
compensar de forma sencilla y óptima los errores de los espejos,
los del tubo absorbente y los del sistema de seguimiento.
El dispositivo propuesto en la presente
invención se define en la reivindicación 1. El procedimiento para
el ajuste básico inicial del sistema de seguimiento respecto a su
ángulo óptimo con el sol se presenta en la reivindicación 8.
La base fundamental de la presente invención es
la posibilidad de medir directamente la radiación que no llega a
alcanzar el tubo absorbente de forma simultánea para todos los
segmentos absorbedores del colector. Para ello, directamente detrás
de los segmentos absorbedores se instalan sensores en forma de
paneles que detectan y miden la radiación que no alcanza el tubo
absorbente. Los paneles transforman la energía irradiada en energía
eléctrica. La corriente eléctrica producida por dichos paneles es
proporcional a la energía irradiada.
Un aumento de la radiación sobre los paneles
provoca un incremento proporcional de la corriente eléctrica, lo
que significa una correspondiente disminución de la radiación solar
que alcanzan los tubos absorbedores del colector. Por tanto, a
mayor medida de corriente eléctrica, menor radiación sobre el tubo
absorbente y viceversa. Este hecho se aprovecha para ajustar el
sistema de seguimiento girando el colector hasta que la corriente
eléctrica producida por los paneles llegue a un mínimo. En este
momento la radiación que alcanza el tubo absorbente y el colector
es máxima y el sistema trabaja en su máximo rendimiento. El giro
del colector se lleva a cabo, en el caso de control por sensores
solares, manipulando los sensores solares y en caso de control por
algoritmos mandando pequeños pasos de
"tracking-offset". De esta forma se alcanza la
posición optima entre el colector y el sol, la cual es también la
posición básica inicial óptima para el sistema de seguimiento del
colector. Partiendo de este ajuste inicial el sistema de
seguimiento sigue manteniendo este ángulo óptimo durante su futura
operación aunque el sol se mueva. Los paneles se instalan solamente
para el proceso de ajuste del colector. Una vez terminado este
trabajo se desmontan los paneles para poder seguir ajustando otro
colector con el mismo dispositivo.
Después de un tiempo de operación los colectores
pueden ser ajustados de nuevo por si ha cambiado su ajuste óptimo
inicial con el tiempo.
Dado que el funcionamiento del dispositivo de la
presente invención no requiere realizar medidas absolutas de
ninguna magnitud, sino verificar el comportamiento relativo de la
señal de salida (corriente eléctrica producida), no es necesario
calibrar los paneles ni corregir dicha señal.
Por otro lado, es importante asegurarse que la
intensidad de radiación que puede incidir sobre los paneles durante
el proceso de medida esté dentro del rango de trabajo de éstos. En
caso necesario, se puede sombrear los paneles homogéneamente
cubriendo los con mallas de alambre o cubriéndolos con una capa
fina de pintura semitransparente.
Los paneles utilizados para la presente
invención son preferentemente módulos fotovoltaicos. La radiación
que no alcanza el tubo absorbente irradia sobre los módulos
fotovoltaicos principalmente en forma de franjas de radiación
paralelas al tubo absorbente. Los módulos disponen de varias
células fotovoltaicas conectadas en serie y la célula menos radiada
dentro de un conjunto de las células fotovoltaicas conectadas en
serie determina la corriente producida. Este hecho puede provocar
errores del sistema de medida. Si los módulos son demasiado
grandes es posible que no se detecten las pequeñas franjas de
radiación. Los módulos fotovoltaicos más adecuados son los de capa
fina, porque su funcionamiento no se ve interrumpido por causas de
sombreo parcial. Distintos estudios experimentales han demostrado
que los errores por sombreo son despreciables si se utilizan
módulos de capa fina cortos y orientados de tal manera que la
dirección de conexión de los conjuntos de las células fotovoltaicas
conectadas en serie es la misma que la del tubo absorbente. En este
caso es importante que los módulos tengan solamente conexión en
serie de sus células fotovoltaicas y no en paralelo. Para minimizar
los costes de inversión, los módulos fotovoltaicos posicionados
detrás del tubo absorbente pueden tener espacios entre ellos.
Es preferible adaptar la superficie de los
paneles al ángulo en que se espera la irradiación que no alcanza
el tubo absorbente. Por eso la forma de la superficie de los
paneles puede ser plana, cóncava parabólica, triangular, o
cualquiera forma de superficie siempre que sobre ella incida la
radiación que no alcanza el tubo absorbente. La superficie de los
paneles también puede estar interrumpida por espacios vacíos.
Un diseño preferible de la invención consiste en
fijar varios módulos fotovoltaicos juntos en un soporte común que
tiene la misma longitud que un segmento. De esta manera, este
soporte común puede ser fijado en los soportes existentes del tubo
absorbente y unido al colector, lo que facilita el montaje. Para
poder realizar una medida simultánea en todo el colector se fijan
detrás de todos los segmentos absorbentes del colector los
soportes comunes con sus correspondientes módulos fotovoltaicos.
Para la medida eléctrica de todos los paneles de los soportes
comunes se conectan con cables eléctricos de forma paralela a un
medidor para determinar la corriente eléctrica que produce el
conjunto de todos los módulos fotovoltaicos conectados.
Una vez se encuentra el colector enfocado se
ajusta el sistema de seguimiento de forma que el colector se
oriente en la posición de mínima corriente eléctrica, lo que
significa un máximo alcance de radiación en el tubo absorbente y
por lo tanto el máximo rendimiento del colector.
Cuando el sistema de seguimiento no está
ajustado es posible que los paneles fotovoltaicos sufran
sobrecalentamiento por exceso de radiación. Para evitar este
peligro es conveniente realizar un preajuste anterior del sistema
de seguimiento con el "método de sombra del tubo absorbente"
anteriormente descrito, que evalúa la sombra del tubo absorbente en
el suelo. Posteriormente se lleva a cabo el ajuste fino del sistema
de seguimiento del colector mediante la presente invención. Otra
posibilidad de evitar sobrecalentamiento de los paneles
fotovoltaicos es fijar aletas de refrigeración en sus lados
pasivos.
La invención es apropiada para el ajuste rápido
de sistemas de seguimiento de colectores largos, de gran
superficie, que absorben grandes cantidades de calor y que se
suelen usar en centrales solares. La utilidad de esta invención se
presenta no sólo en el ajuste del sistema de seguimiento durante la
puesta en marcha de los colectores, sino también en el
re-ajuste de los colectores tras un tiempo de
operación de los mismos, cuando el ajuste óptimo inicial haya
desaparecido con el tiempo.
A continuación se describe un diseño de la
invención usando las figuras siguientes:
Fig. 1 Representación en perspectiva de un
colector cilindro parabólico
Fig. 2 Vista transversal de un colector cilindro
parabólico con zonas de sombreo para explicar el "método de
sombra del tubo absorbente"
Fig. 3 Sección transversal de un primer ejemplo
de diseño del dispositivo de ajuste para el sistema de seguimiento
de colectores cilindro parabólicos
Fig. 4 Sección transversal de un segundo ejemplo
de diseño del dispositivo de ajuste para el sistema de seguimiento
de colectores cilindro parabólicos
Fig. 5 Representación en perspectiva de la
fijación de la pantalla fotodetectora con el tubo absorbente
Fig. 6 Representación de un módulo fotovoltaico
desde la dirección de la flecha VI de la figura 5
La figura 1 muestra un colector cilindro
parabólico (10) que dispone de un espejo cilindro parabólico (11)
con una superficie curvada parabólica (12). La radiación (13) del
sol (S) alcanza el espejo cilindro parabólico (11). La superficie
de los espejos (12) refleja la radiación solar paralela incidente y
la concentra sobre los segmentos absorbentes (14) que se encuentran
en la línea focal y forman el tubo absorbente (34). Para que dicha
concentración funcione adecuadamente el área que atraviesa
virtualmente el tubo absorbente y el sol debe estar perpendicular
al área de apertura del colector. Debido al cambio de la posición
del sol durante el día, el colector cilindro parabólico (10)
necesita un sistema de seguimiento. El colector cilindro parabólico
(10) está montado con varios soportes (15) que sujetan el espejo
cilindro parabólico (11) y el tubo absorbente (34) que está formado
por los segmentos absorbedores (14). El conjunto formado por el
espejo cilindro parabólico (11) y el tubo absorbente (34) puede
girar sobre un eje de giro (16). El correspondiente mecanismo de
accionamiento para el giro del colector no se ha representado en
esta figura.
El colector cilindro parabólico que dispone de
un mecanismo de accionamiento de giro tiene, por ejemplo, una
longitud de 100 m a 150 m.
La figura 2 muestra el "método de sombra del
tubo absorbente" que se practica actualmente para el ajuste
básico del sistema de seguimiento de los colectores cilindro
parabólicos. Debajo del espejo cilindro parabólico (11) se
encuentra el suelo (18) y el centro del espejo cilindro parabólico
(11) dispone de un espacio libre (19) entre las facetas cuya
anchura es igual al diámetro de los segmentos absorbedores
(14).
Cuando el colector está orientado correctamente
hacia el sol, la sombra (20) del segmento absorbedor (14) cae
directamente sobre el espacio libre (19) de manera que las sombras
(21) y (22) de las dos mitades del espejo cilindro parabólico (11)
se unen a la sombra (20) del segmento absorbedor (14) y el suelo
(18) debajo del colector estaría totalmente sombreado. En figura 2
se muestra una situación en la que la sombra (20) del segmento
absorbedor (14) no se proyecta exactamente sobre todo el espacio
libre (19). Por lo tanto, en este caso, una parte de la radiación
solar (23) llega a atravesar el espacio libre (19) y produce una
franja de luz (24) en el suelo (18).
La figura 3 muestra un primer ejemplo de diseño
de la invención. En la parte orientada al sol del segmento
absorbedor (14) está fijada una pantalla fotodetectora (25). La
pantalla (25) tiene estructura de tejado paralelo al tubo
absorbente, su sección tiene forma de "v", y cubre
parcialmente el segmento absorbedor (14). La otra parte del
segmento absorbedor (14) se encuentra enfrentada al espejo cilindro
parabólico (11). La radiación solar es reflejada por el espejo
cilindro parabólico(11) y alcanza el segmento
absorbente(14). La parte de la radiación reflejada que no es
capaz de alcanzar el segmento absorbedor (14) incide sobre la
pantalla fotodetectora (25). Ésta dispone de varias células
fotovoltaicas en el lado que está orientado al espejo cilindro
parabólico (11). La corriente producida por estas células es la
señal de salida y su intensidad es proporcional a la cantidad de la
radiación irradiada sobre la pantalla (25).
Como ejemplo, los módulos fotovoltaicos de capa
fina de tipo SIEMENS ST-5 y de tipo
UNI-SOLAR FLX-11 se han probado
como adecuados para este tipo de aplicación.
La figura 4 representa otro ejemplo de diseño de
la invención en que la pantalla fotodetectora (25a) está doblada
de manera que su lado fotosensible está orientado frente al espejo
cilindro parabólico (11) y su sección forma una superficie cóncava
que cubre parcialmente el segmento absorbedor (14).
El segmento absorbedor (14) está cubierto por un
tubo de vidrio (30, de la figura 5) que no está presentado en las
figuras 3 y 4.
La figura 5 representa un ejemplo de diseño en
que el segmento absorbente (14) fijado con dos soportes (31) está
cubierto parcialmente por una pantalla fotodetectora (25). La
pantalla fotodetectora (25) consta de varios módulos fotovoltaicos
curvados (35) que están fijados de modo que hay un espacio entre
ellos. Todos los módulos fotovoltaicos (35) están sujetos por un
soporte común (36) que, a su vez, se halla unido en sus extremos a
los soportes (31) de los segmentos absorbedores (14). Un colector
cilindro parabólico dispone de varios segmentos absorbedores (14)
que están soldados en línea uno con el siguiente y forman el tubo
absorbente (34) del colector. Todos los segmentos absorbedores (14)
del tubo absorbente (34) llevarán una estructura (36) con su
correspondiente pantalla fotodetectora (25). El montaje de la
estructura (36) y de la pantalla fotodetectora (25) se puede llevar
a cabo desde la plataforma de un camión que pase con muy poca
velocidad cerca de los colectores. De esta forma, se puede montar
la pantalla fotodetectora (25) sobre todos los segmentos
absorbedores (14) del colector de forma muy rápida y con el trabajo
de poco personal.
Tal y como representa la figura 5, todos los
módulos fotovoltaicos (35) de una pantalla fotodetectora (25) están
conectados en paralelo por cables eléctricos (38). Estos cables
(38), procedentes de todas las pantallas fotodetectoras (25) del
colector, se conectan a través de enchufes (39) con el cable
principal (40) que se encuentra debajo del colector en el suelo y
dispone de un medidor de corriente (41). El medidor de corriente
(41) mide la suma total de las corrientes producidas por todos los
módulos fotovoltaicos (35) de todas las pantallas fotodetectoras
(25) instaladas a lo largo de todo el tubo absorbente (38).
La figura 6 representa un módulo fotovoltaico
(35) desde la dirección de la flecha VI de la figura 5. Se ve
varias células fotovoltaicas (42) que están unidas físicamente
dentro de un módulo fotovoltaico (35) y conectadas en serie. Las
franjas (45), (46) y (47) representan la radiación solar que no
alcanza el tubo absorbente e incide sobre el módulo fotovoltaico
(35). Según las posibles desviaciones de los espejos, del tubo
absorbente y del sistema de seguimiento la forma de estas franjas
puede variar. El módulo fotovoltaico genera con sus células
fotovoltaicas una corriente que es proporcional a la radiación
solar sobre las franjas (45), (46) y (47). Para llegar a su
posición de medida, el colector gira y los módulos fotovoltaicos
tienen que pasar durante un momento corto por la línea focal del
colector sin estar en la sombra del tubo absorbente. Experimentos
de medida de temperatura han demostrado que este hecho no llega a
producir un sobrecalentamiento excesivo de los módulos
fotovoltaicos. De todas formas, puede ser conveniente de fijar
aletas de refrigeración en el lado pasivo de los módulos
fotovoltaicos.
Cuando en un principio el sistema de seguimiento
está extremadamente mal ajustado y mucha radiación alcanza los
módulos fotovoltaicos durante un tiempo prolongado, existe la
posibilidad de sobrecalentamiento de los paneles. Para evitar este
peligro, es conveniente un preajuste anterior del sistema de
seguimiento con el "método de sombra del tubo absorbente" que
se describe en la figura 2.
El accionamiento eléctrico para girar el espejo
cilindro parabólico y el sistema de seguimiento solar no están
representados en las figuras.
Claims (9)
1. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico que dispone de un
espejo cilindro parabólico (11) que concentra la radiación solar
sobre un tubo absorbente (34) y que está formado por varios
segmentos absorbedores (14)
caracterizado porque
en el lado opuesto respecto al espejo cilindro
parabólico (11) de los segmentos absorbedores (14) está fijada una
pantalla fotodetectora (25) que genera una señal proporcional a la
radiación solar recibida, existiendo además un dispositivo de
medida que mide dicha señal, para que así, durante el ajuste del
sistema de seguimiento, el colector se posicione de modo que la
señal alcance un valor mínimo.
2. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según reivindicación
1, caracterizado porque la pantalla fotodetectora (25)
dispone de varios módulos fotovoltaicos (35).
3. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según reivindicación
1 a 2, caracterizado porque los módulos fotovoltaicos (35)
de la pantalla fotodetectora (25) se conectan en paralelo.
4. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la pantalla
fotodetectora(25, 25a) dispone de una forma cóncava que
cubre los segmentos absorbedores (14) parcialmente.
5. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque a lo largo del
tubo absorbente (34) los módulos fotovoltaicos (35) disponen de
espacios entre ellos.
6. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según reivindicación
5, caracterizado porque los módulos fotovoltaicos (35)
están conectados de forma paralela a una línea eléctrica principal
(40), la cual dispone de un medidor de corriente (41).
7. Dispositivo de ajuste para el sistema de
seguimiento de un colector cilindro parabólico según
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque varios módulos
fotovoltaicos (35) están sujetos en un soporte común (36) que se
extiende sobre la longitud de los segmentos absorbedores (14) y
está fijado por sus extremos a los soportes de tubo absorbente
(31).
8. Procedimiento ara el ajuste inicial del
sistema de seguimiento respecto a su orientación óptima al sol de
un colector cilindro parabólico que dispone de un espejo cilindro
parabólico (11) que concentra la radiación solar (13) sobre un tubo
absorbente (34) caracterizado porque se mide la radiación
solar concentrada que no alcanza el tubo absorbente (34) con el
dispositivo de la reivindicación 1 posicionando el colector por
manipulación del sistema de seguimiento de tal manera que la
radiación medida alcance un valor mínimo; por lo que a partir de
esta posición óptima entre colector y sol, el sistema de
seguimiento sigue manteniendo esta posición respecto al sol durante
el futuro seguimiento solar.
9. Procedimiento según reivindicación 8,
caracterizado porque antes del procedimiento de la
reivindicación 8 se lleva a cabo un preajuste del sistema de
seguimiento con el "método de sombra del tubo absorbente", el
cual utiliza el hecho que el colector está orientado de forma muy
eficiente respecto al sol cuando la sombra del tubo absorbente y la
sombra del espejo del colector se unen en el suelo sin dejar
ninguna franja de luz.
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|---|---|---|---|
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2004
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- 2005-05-12 ES ES200500918A patent/ES2275399B1/es not_active Expired - Fee Related
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