ES2346172A1 - Procedimiento de posicionado de una superficie respecto de una fuente luminica mediante sensores. - Google Patents
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Abstract
Permite controlar la posición de una superficie reflectante (2) para que la luz reflejada (7) procedente de una fuente de luz (1) incida sobre un punto objetivo (8), mediante un primer sensor (4) que determina la posición de la fuente de luz (1) respecto de una dirección de referencia (9) y un segundo sensor (5) solidario a la superficie reflectante (2), que determina la posición relativa de dicha superficie reflectante (2) respecto de la fuente de luz (1). Conociendo estas posiciones y la posición relativa de la superficie reflectante (2) respecto del punto objetivo (8), determina el movimiento necesario a aplicar sobre la superficie reflectante (2) para que la luz reflejada (7) incida en el punto objetivo (8). Se aplica para reflejar la luz solar sobre un colector distante, para iluminar edificios, y en general para cualquier aplicación en la que se requiera direccionar una luz reflejada sobre un punto objetivo (8).
Description
Procedimiento de posicionado de una superficie
respecto de una fuente lumínica mediante sensores.
La presente invención se refiere a un
procedimiento que permite posicionar una superficie reflectante,
montada sobre un dispositivo de posicionamiento, respecto de una
fuente lumínica mediante el uso de sensores.
La invención calcula el error existente entre la
posición actual del eje perpendicular a la superficie reflectante y
la posición teórica que debe tener con objeto de que la luz
reflejada incida en un punto definido, denominado punto objetivo.
Este error se mide tanto en acimut como elevación, aplicándose el
procedimiento en ambos ejes por separado. Para ello se emplea un
primer sensor fijo que mide la posición de la fuente lumínica
respecto de una dirección de referencia, y un segundo sensor
solidario con la superficie que proporciona el ángulo de incidencia
de la luz de la fuente lumínica respecto de la perpendicular a la
superficie. Por otra parte, se conoce la posición relativa del punto
objetivo hacia donde se quiere dirigir la luz reflejada y la
posición relativa del centro de giro de la superficie reflectante y
la dirección de referencia; de manera que mediante un cálculo
geométrico se obtiene el error y la actuación para posicionar
correctamente la superficie reflectante.
En general, la invención es aplicable para
efectuar el posicionado de una superficie reflectante respecto de
una fuente lumínica, y más concretamente para efectuar dicho
posicionado respecto del sol, de forma que la invención tiene
aplicación directa en el caso de heliostatos, elementos reflectivos
y colectores solares en los sistemas solares de generación de
energía, y también es útil para sistemas de iluminación indirecta
empleando la luz reflejada del sol.
Actualmente, el problema de posicionamiento de
una superficie reflectante está en auge debido a que su uso es
imprescindible en las plantas solares de concentración, que emplean
espejos, denominados heliostatos, que reflejan la luz solar sobre un
colector distante incluso a centenares de metros. La posición donde
debe incidir la luz reflejada debe precisarse con un error del orden
de decímetro. Por ello, la exactitud con la que debe posicionarse el
espejo respecto del sol debe ser muy elevada. Los heliostatos
empleados en estas plantas hacen uso de un sistema de
posicionamiento basado en un posicionador de dos ejes, accionados
por sendos motores con elevado grado de reducción. Un sensor angular
tipo codificador angular determina el ángulo girado por cada eje
respecto de una posición inicial. También se conoce la posición del
sol a partir de un conjunto de ecuaciones, denominadas almanaque
solar, que deben ser evaluadas con una periodicidad inferior a los
20 segundos. Conocidas la posición del concentrador la del sol y la
relativa del heliostato, se puede calcular el error cometido y la
consiguiente acción de control sobre los motores.
La posición inicial se determina mediante un
sensor que al igual que el sensor angular deben de ser de elevada
precisión para cumplir los requerimientos de puntería anteriormente
mencionados. Asimismo, la estructura que soporta el espejo y el
sistema de posicionamiento deben ser lo suficientemente robustos
como para soportar el espejo y el esfuerzo que ejerce el viento
sobre él, y además estar muy ajustados para reducir las tolerancias
de su actuación. Por último, la carga computacional de cálculo de la
posición es elevada, precisando el uso de un microprocesador de
elevadas prestaciones. Por ello se precisa de un sistema que
simplifique la estructura, los sensores y el cálculo con objeto de
abaratar los costes de fabricación del heliostato.
En la patente española con número de solicitud
P-200800999 se enseña el uso de un sensor que
determina el ángulo de incidencia de la luz con elevada precisión.
El sensor se posiciona inicialmente de manera que la luz reflejada
por la superficie incida en éste con un ángulo de 0^{0} en acimut
y elevación cuando la luz incide en el foco objetivo. De esta manera
se cierra el bucle de control, realimentando el error cometido
directamente a partir de la luz reflejada, permitiendo abaratar los
costes de fabricación, puesto que se elimina el uso de sensores
angulares y de posición inicial y además se compensan los errores
mecánicos generados por al estructura y perturbaciones externas como
la del viento. Pero el uso de este sensor en la luz reflejada tiene
el inconveniente de una instalación costosa, pues precisa de una
estructura auxiliar que lo soporte frente al espejo, haciendo esta
solución inviable para heliostatos de gran superficie.
Mediante la invención se permite controlar la
posición del espejo con la ayuda de dos sensores. Uno que determina
la posición del sol respecto a una superficie de referencia y otro
solidario al espejo, que determina la posición relativa del mismo
respecto del sol. Computando estos ángulos y conociendo la posición
relativa del heliostato respecto del concentrador, se puede
determinar el movimiento necesario para reflejar la luz en el punto
adecuado. Esta solución evita tener que emplear estructuras
auxiliares frente a los heliostatos para soportar los sensores,
facilitando su uso, abaratando los costes de instalación y
mantenimiento. La inclusión de un circuito microprocesador permite
un montaje autónomo de los heliostatos, pues todo el control se
realiza localmente.
Para conseguir los objetivos y resolver los
inconvenientes anteriormente indicados, la invención ha desarrollado
un nuevo procedimiento de posicionado de una superficie respecto de
una fuente lumínica mediante sensores, que permite posicionar una
superficie reflectante respecto de una fuente lumínica para que la
luz reflejada por la superficie reflectante incida en un punto
objetivo de posición conocida, mediante la actuación de un
dispositivo electromecánico con dos ejes de giro en acimut y
elevación.
El procedimiento de la invención se caracteriza
porque en primer lugar comprende hacer incidir el haz reflejado por
la superficie reflectante sobre el punto objetivo, para a
continuación medir, mediante un primer sensor situado en una
posición fija, un primer ángulo en acimut y un primer ángulo en
elevación que forma el haz de luz incidente sobre el primer sensor
respecto de una dirección de referencia, para a continuación
determinar un segundo ángulo en acimut y un segundo ángulo en
elevación invariables y conocidos que forma el haz reflejado sobre
la superficie reflectante y que incide sobre el punto objetivo
respecto de la dirección de referencia.
A continuación el procedimiento de la invención
comprende calcular por geometría un tercer ángulo en acimut y un
tercer ángulo en elevación. El tercer ángulo en acimut se calcula a
partir del primer y del segundo ángulo en acimut, e igualmente el
tercer ángulo en elevación se calcula a partir del primer y del
segundo ángulo en elevación. Los terceros ángulos en acimut y
elevación se corresponden a los ángulos que forma el haz incidente
respecto del eje perpendicular a un segundo sensor solidario de la
superficie reflectante en acimut y elevación respectivamente de
manera que el tercer ángulo en acimut y elevación puede ser medido
por el segundo sensor.
Además el procedimiento de la invención
comprende una fase en la que en una posición cualquiera de la
superficie reflectante se mide, mediante el segundo sensor, un
cuarto ángulo en acimut y un cuarto ángulo en elevación que forma el
haz reflejado con el eje perpendicular al segundo sensor. A
continuación se compara el tercer ángulo en acimut con el cuarto
ángulo en acimut para que en el caso en que exista coincidencia
entre el tercer y cuarto ángulo en acimut se mantenga la posición en
acimut de la superficie reflectante, y en caso contrario se varíe la
posición de la superficie reflectante hasta que coincidan el tercer
y cuarto ángulo en acimut. Igualmente se compara el tercer ángulo en
elevación con el cuarto ángulo en elevación calculado para que en el
caso en el que exista coincidencia entre el tercer ángulo en
elevación y el cuarto ángulo en elevación, se mantenga la posición
en elevación de la superficie reflectante y en caso contrario se
varíe la posición en elevación de la superficie reflectante hasta
que coincidan el tercer y cuarto ángulo en elevación. Por
consiguiente el procedimiento de la invención se aplica
independiente y simultáneamente en acimut y elevación para conseguir
el correcto posicionado de la superficie reflectante, de forma que
la luz reflejada incida sobre el punto objetivo.
En la realización preferente de la invención la
fuente de luz es el sol, pero también puede ser también cualquier
fuente lumínica.
Para garantizar las fases que anteriormente
fueron descritas, el procedimiento de la invención comprende
almacenar el primer, segundo y tercer ángulo en acimut y en
elevación para poder efectuar los diferente cálculos.
La invención prevé que los sensores sean
sensores solares angulares tipo codificador angular de elevada
precisión, para realizar el correcto posicionado de la superficie
reflectante de forma que la luz reflejada incida sobre el punto
objetivo.
En una realización de la invención la dirección
de referencia es una dirección perpendicular al eje del primer
sensor.
El dispositivo electromecánico de gobierno de la
posición de la superficie reflectante está dotado de un circuito de
control que gobierna la posición de medios de posicionado de la
superficie reflectante según las fases anteriormente descritas.
Además, los medios de posicionado de la
superficie reflectante pueden ser motores eléctricos, actuadores
hidráulicos o actuadores neumáticos.
Respecto a la superficie reflectante ésta puede
presentar una geometría plana, parabólica,
cilindro-parabólica o hiperbólica.
El procedimiento de la invención ha sido
descrito para los ejes en acimut y elevación, pero obviamente pueden
ser cualesquiera ejes de guardan la misma relación que dichos ejes
de acimut y elevación.
La invención se aplica en plantas solares de
concentración que emplean espejos, denominados heliostatos, que
reflejan la luz solar sobre un colector distante, pero además puede
ser aplicado a la iluminación de edificios para lo que la superficie
reflectante, por ejemplo, se monta sobre la planta superior de un
edificio cuya luz se refleja a través de huecos de su
estructura.
La invención puede aplicarse para posicionar
múltiples superficies reflectantes para que la luz reflejada incida
sobre un mismo punto objetivo, consiguiendo un mayor aprovechamiento
de la energía.
A continuación para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con
carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de
la invención.
Figura 1.- Muestra una representación en planta
del procedimiento de la invención para posicionar una superficie
reflectante respecto del sol empleando dos sensores de determinación
del ángulo de incidencia en acimut. En este caso, la superficie
reflectante se encuentra correctamente posicionada para dirigir la
lux reflejada al punto objetivo en acimut.
Figura 2.- Representa una vista en alzado del
procedimiento para posicionar una superficie reflectante respecto
del sol empleando dos sensores de determinación del ángulo de
incidencia en elevación. En este caso la superficie reflectante se
encuentra correctamente posicionada para dirigir la luz reflejada al
punto objetivo en elevación.
Figura 3.- Representa una vista en planta del
procedimiento de la invención, equivalente a la figura 1, pero en
este caso la superficie reflectante se encuentra posicionada con un
error respecto al punto objetivo, permitir explicar de forma en que
se realiza la corrección.
Figura 4. - Muestra una representación en planta
equivalente a la figura anterior con el dispositivo electromecánico
mediante el que se posiciona la superficie reflectante en la
posición correcta para que la luz reflejada incida sobre el punto
objetivo.
A continuación se realiza una descripción de la
invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
El procedimiento de la invención permite
posicionar respecto del sol 1 una superficie reflectante 2 montada
sobre un dispositivo electromecánico 3 con ejes de giro en acimut
(vertical al suelo) y elevación (paralelo al suelo/empleando un
primer sensor 4 y un segundo sensor 5 de manera que la luz incidente
6 sobre la superficie reflectante 2 proporciona una luz reflejada 7
que incide en un punto objetivo 8.
El primer sensor 4 y segundo sensor 5 miden los
ángulos que forman las proyecciones del vector de luz incidente 6
respecto dos planos ortogonales.
En las figuras 1 y 2 la superficie reflectante
2, está posicionada de forma que la luz reflejada incide en el punto
objetivo.
En el caso de la figura 1 se muestra una vista
en planta para su aplicación en acimut. En este caso, el primer
sensor 4 está posicionado perpendicularmente respecto una dirección
de referencia 9, de manera que mediante el primer sensor 4 se mide
un primer ángulo de acimut \alpha_{p} correspondiente al ángulo
que forma la luz incidente 6 respecto de la dirección de referencia
9.
Respecto al segundo sensor 5, éste se encuentra
situado de forma solidaria a la superficie reflectante 2, la cual se
desea posicionar de manera que la luz reflejada 7 incida sobre el
punto objetivo 8. El punto objetivo 8 forma un segundo ángulo en
acimut \gamma_{p} conocido con respecto a la dirección de
referencia 9 y su posición relativa respecto del centro de giro de
la superficie 2. Analizando la geometría de la figura 1 se obtiene
un tercer ángulo acimut \delta_{p} debe ser
\delta_{p}\frac{\alpha _{p}- \gamma _{p}}{2}; además este
segundo ángulo puede ser medido mediante el segundo sensor 5.
La aplicación del procedimiento en elevación se
muestra en la figura 2 y el razonamiento es equivalente al descrito
para la figura 1.
En el caso de la figura 2 se muestra una vista
en alzado, de manera que el primer sensor 4 mide un primer ángulo en
elevación \alpha_{a} correspondiente al ángulo que forma la luz
de incidentes 6 respecto de la dirección de referencia 9.
Normalmente el primer ángulo en elevación \alpha_{a} es
diferente al primer ángulo en acimut \alpha_{p} ya que la
dirección de referencia 9 en su vista en planta y en alzado se
descompone en dos proyecciones que son distintas para el
posicionamiento en acimut y elevación.
De forma equivalente el punto objetivo 8 forma
un tercer ángulo en elevación \gamma_{a} respecto a la dirección
de referencia 9 y su posición relativa respecto del centro de giro
de la superficie reflectante 2. En este caso analizando la geometría
se obtiene un tercer ángulo en elevación \delta_{a} medido por
el segundo sensor 5 que por geometría debe ser
\delta_{a}\frac{\alpha _{a}- \gamma _{a}}{2}; este segundo
ángulo también puede ser medido por el segundo sensor 5.
En consecuencia la invención prevé calcular por
geometría el tercer ángulo en acimut \delta_{p} y el tercer
ángulo en elevación \delta_{a} a partir de las ecuaciones
comentadas y que además puede ser medido por el segundo sensor
5.
En la figura 3 se muestra el caso en el que la
luz reflejada 7 no incide sobre el punto objetivo 8. En este caso
mediante el segundo sensor 5 se mide un cuarto ángulo en acimut
\delta_{pe} y un cuarto ángulo en elevación \delta_{ae} que
forma la luz reflejada 7 con el eje perpendicular al segundo sensor
5.
A continuación se compara el tercer ángulo en
acimut \delta_{p} con el cuarto ángulo en acimut
\delta_{pe}, para que en el caso en el que exista coincidencia
entre ambos no se varíe la posición de la superficie reflectante 2,
y en caso contrario se varía la posición de la misma hasta que
coincidan el tercer ángulo en acimut \delta_{p} y el cuarto
ángulo en acimut \delta_{pe}. Esta misma operación se efectúa
para el caso de la elevación.
En la figura 4 se muestra el dispositivo
electromecánico 3 que permite efectuar el posicionado correcto de la
superficie reflectante 2 para su aplicación en acimut que se
corresponde con lo representado en la figura 3. En este caso el
dispositivo electromecánico 3 comprende un motor de giro en acimut
3a y un circuito de control 3b para gobernar la posición de la
superficie reflectante 2 de forma que coincidan el tercer ángulo en
acimut \delta_{p} y el cuarto ángulo en acimut
\delta_{pe}.
El circuito de control 3b realiza mediante un
microprocesador que adquiere el primer ángulo en acimut
\alpha_{p} y el cuarto ángulo en acimut \delta_{pe}
proporcionados por el primer sensor 4 y el segundo sensor 5. A su
vez, calcula el tercer ángulo en acimut \delta_{p} con el que
debería incidir la luz del sol en el segundo sensor 5 y obtiene un
error de posición
\Delta\delta = \delta_{pe}-\delta_{p} = \delta_{pe} - \frac{\alpha _{a}- \gamma _{a}}{2}; de forma que el microprocesador da órdenes de giro del motor 3a respecto al eje en acimut para hacer que el error sea 0.
\Delta\delta = \delta_{pe}-\delta_{p} = \delta_{pe} - \frac{\alpha _{a}- \gamma _{a}}{2}; de forma que el microprocesador da órdenes de giro del motor 3a respecto al eje en acimut para hacer que el error sea 0.
Simultáneamente, el mismo procedimiento se
aplica respecto la vertical del eje de elevación.
De esta forma, mediante el procedimiento de la
invención se consigue posicionar con total precisión la superficie
reflectante 2 para que la luz reflejada 7 incida sobre el punto
objetivo 8.
Claims (12)
1. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, que
permite posicionar una superficie reflectante (2) respecto de la
fuente de luz (1) para que la luz reflejada (7) por la superficie
reflectante (2) incida en un punto objeto (8) de posición conocida,
mediante la actuación de un dispositivo electromecánico (3) con dos
ejes de giro en acimut y elevación; se caracteriza porque
comprende:
- hacer incidir la luz reflejada (7) por la
superficie reflectante (2) sobre el punto objetivo (8);
- medir, mediante un primer sensor (4) situado
en una posición fija, un primer ángulo en acimut (\alpha_{p}) y
un primer ángulo en elevación (\alpha_{a}) que forma el haz de
luz incidente sobre el primer sensor (4) respecto de una dirección
de referencia (9), y determinar un segundo ángulo en acimut
(\gamma_{p}) y un segundo ángulo en elevación (\gamma_{a})
invariables y conocidos que forma el haz reflejado (7) sobre la
superficie reflectante (2) y que incide sobre el punto objetivo (8),
respecto de la dirección de referencia (9);
- calcular por geometría un tercer ángulo en
acimut (\delta_{p}) a partir del primer ángulo en acimut
(\alpha_{p}) y del segundo ángulo en acimut (\gamma_{p}) y
calcular por geometría un tercer ángulo en elevación
(\gamma_{a}) a partir del primer ángulo en elevación
(\alpha_{a}) y del segundo ángulo en elevación (\gamma_{a}),
correspondiendo los terceros ángulos en acimut (\delta_{p}) y en
elevación (\delta_{a}), a los ángulos que forma el haz incidente
(6) respecto del eje perpendicular a un segundo sensor (5) solidario
de la superficie reflectante (2) en acimut y elevación
respectivamente;
- en una posición cualquiera de la superficie
reflectante (2), medir, mediante el segundo sensor (5), un cuarto
ángulo en acimut (\delta_{pe}) y un cuarto ángulo en elevación
(\delta_{ae}) que forma el haz reflejado (7) con el eje
perpendicular al segundo sensor;
- comparar el tercer ángulo en acimut
(\delta_{p}) con el cuarto ángulo en acimut para que en el caso
en que exista coincidencia entre el tercer ángulo en acimut
(\delta_{p}) y el cuarto ángulo en acimut (\delta_{pe})
mantener la posición en acimut de la superficie reflecante (2), y en
caso contrario variar la posición de la superficie reflectante (2)
hasta que coincidan el tercer ángulo en acimut (\delta_{p}) y el
cuarto ángulo en acimut (\delta_{pe}); y comparar el tercer
ángulo en elevación (\delta_{a}) con el cuarto ángulo en
elevación (\delta_{ae}) para que en el caso en que exista
coincidencia entre el tercer ángulo en elevación (\delta_{a}) y
el cuarto ángulo en elevación (\delta_{ae}), mantener la
posición en elevación de la superficie reflectante (2), y en caso
contrario variar la posición en elevación de la superficie
reflectante (2) hasta que coincidan el tercer ángulo en elevación
(\delta_{a}) y el cuarto ángulo en elevación
(\delta_{ae}).
2. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de luz es el
sol (1).
3. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 2, caracterizado porque el primer sensor (4) y
el segundo sensor (5) son sensores solares angulares tipo
codificador angular de elevada precisión.
4. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque comprende almacenar el
primer ángulo en acimut (\alpha_{p}), el segundo ángulo en
acimut (\gamma_{p}), y un tercer ángulo en acimut
(\delta_{p}), así como el primer ángulo en elevación
(\alpha_{a}), segundo ángulo en elevación ((\gamma_{a}) y el
tercer ángulo en elevación (\delta_{a}).
5. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque la dirección de
referencia (9) es una dirección perpendicular al eje del primer
sensor (4).
6. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo
electromecánico (3) de gobierno de la posición de la superficie
reflectante (2) comprende un circuito de control (3b) que gobierna
la posición de medios de posicionado de la superficie reflectante
(2).
7. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque los medios de
posicionado de la superficie reflectante (2) están seleccionados
entre motores eléctricos (3a), actuadores hidráulicos y actuadores
neumáticos.
8. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque la superficie
reflectante (2) está seleccionada entre una superficie de geometría
plana, parabólica, cilindro-parabólica e
hiperbólica.
9. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque los ejes en acimut y
en elevación son cualesquiera ejes que guarden la misma relación que
dichos ejes de acimut y elevación.
10. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque se aplica a la
iluminación de edificios.
11. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 10, caracterizado porque la superficie
reflectante (2) se monta sobre la planta superior de un edificio
cuya luz se refleja a través de huecos de su estructura.
12. Procedimiento de posicionado de una
superficie respecto de una fuente lumínica mediante sensores, según
reivindicación 1, caracterizado porque se aplica para
reflectar una fuente de luz cualquiera.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| ES200900206A ES2346172B2 (es) | 2009-01-26 | 2009-01-26 | Procedimiento de posicionado de una superficie respecto de una fuenteluminica mediante sensores |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200900206A ES2346172B2 (es) | 2009-01-26 | 2009-01-26 | Procedimiento de posicionado de una superficie respecto de una fuenteluminica mediante sensores |
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| Publication Number | Publication Date |
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