ES2358815A1 - Heliostato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado. - Google Patents
Heliostato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado. Download PDFInfo
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Abstract
Helióstato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado.Comprende una superficie reflectante (1), capaz de girar mediante un accionamiento primario (4) alrededor de un eje geométrico primario (3) que apunta al objetivo, 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 primado (3), mediante un accionamiento secundada (6). Ambos accionamientos (4) (6) están gobernados por un dispositivo de control (8).El sistema de control (8) junto con los sensores (14) (15), de los cuales uno de ellos a su vez contiene un sistema óptico (17), permite que se gobierne en modo de lazo cerrado.Los sensores detectan la posición del sol a uno u otro lado de sus respectivos planos de referencia. Uno de los sensores se colocará en la estructura móvil (2) que soporta la superficie reflectante (1) con el plano de referencia paralelo al eje geométrico primario (3). El otro sensor se unirá solidariamente a la parte móvil del sistema que gira según el eje geométrico primario (3) con el plano de referencia paralelo al eje geométrico secundado (5), y recibirá la radiación reflejada de un plano reflectante perpendicular en origen a la superficie reflectante (1) y paralelo al eje geométrico secundario (5).
Description
Helióstato con un eje de accionamiento apuntando
al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado.
La presente invención se refiere a un helióstato
perteneciente a un campo solar que refleja los haces de luz que
llegan a él, dotado de un mecanismo de seguimiento solar. Se trata
de una invención que pertenece, dentro del área de la termotecnia,
al campo de la producción de energía a partir de la radiación
solar.
Esta invención no contempla la tipología o
naturaleza de la superficie reflectante principal que soporte ésta,
por lo que ésta superficie podría ser plana, esférica, parabólica,
cilíndrica, toroidal, teselada o adoptar cualquier otra
configuración geométrica.
Esta invención no especifica la ejecución
estructural definida del sistema, sino que engloba todas las
ejecuciones estructurales que cumplan las condiciones de movimiento
y operación.
El aprovechamiento de la energía solar como
fuente de energía es realizada por el hombre desde la antigüedad. El
Sol emite una ingente cantidad de energía, una parte de la cual
llega a la Tierra en forma de luz y calor. Desde mediados del siglo
XX se vienen realizando investigaciones para intentar transformar
esa energía en electricidad: así, se han desarrollado placas
fotovoltaicas que producen directamente electricidad cuando su
superficie es convenientemente activada por la luz, y distintos
tipos de colectores de calor que concentrando haces de luz sobre una
tubería o sobre un receptor central que contiene un fluido logran
alcanzar temperaturas suficientes como para producir grandes
cantidades de vapor de agua que genera electricidad a través de una
turbina, normalmente en un ciclo de Rankine. Es sobre este último
tipo de instalación sobre la que versa la presente invención.
Dada la baja potencia específica por unidad de
superficie de la radiación solar, para aprovechar esta energía de
manera adecuada es necesario concentrar un gran número de haces de
luz sobre un mismo punto, lo que tradicionalmente se realiza por
medio de espejos orientados sobre un depósito o sobre una tubería a
modo de colector. En este caso la radiación es por concentración
indirecta, ya que para alcanzar su objetivo los rayos han de rebotar
previamente en el espejo.
El estado de la técnica cuenta con distintos
sistemas patentados internacionalmente encaminados a optimizar la
concentración y aprovechamiento de energía solar reflejada por
sistemas de helióstatos para la producción de energía eléctrica, así
como accesorios y complementos que vienen reflejados en distintos
epígrafes de la Clasificación Internacional de Patentes.
La solución adoptada por la patente con número
de publicación ES 8100499, es la denominada solución clásica de eje
vertical o cenital. Esta solución mecánica requiere de un control y
accionamiento extremadamente preciso y calibración inicial compleja
para mantener el apuntamiento durante un corto periodo de tiempo
hasta la siguiente calibración. La aberración astigmática (fenómeno
indeseado de todas las lentes cuando se mira a través de ellas
oblicuamente, en nuestro caso deformación de la imagen reflejada del
Sol) tiende a aumentar el tamaño aparente del Sol fuera de las
condiciones de operación óptimas. Dado que el objetivo es obtener
una imagen del Sol tan pequeña como se pueda (concentración de la
energía recibida), este fenómeno es indeseado. La invención
presentada soluciona ambas inconveniencias debido a que el sistema
de control en lazo cerrado se elimina la necesidad de recalibración
continua, y que constructivamente la aberración astigmática es
mínima en sistemas de accionamiento
spin-elevación.
Otra patente con número de publicación ES
2244339, propone una solución constructiva diferente a la
configuración clásica. Ésta, al igual que la anterior, también posee
un control en lazo abierto condicionado a multitud de
recalibraciones del sistema, que como ya se ha indicado la invención
presentada soluciona añadiendo la ventaja de la reducción de costes
tanto en el sistema de seguimiento como en el mantenimiento.
Los primeros helióstatos considerados como
elementos industriales se desarrollaron a los inicios de la década
de los ochenta para las plantas experimentales termosolares 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 (Datos, Nombre de la
instalación, Año de instalación, Lugar de la instalación, MWe
potencia eléctrica de la instalación, Tipo de helióstatos
instalados, Nº numero de helióstatos y m^{2}):
Una vez finalizados los proyectos de
demostración, la mayoría de estas plantas fueron cerradas. 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.
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).
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.
Ninguno de los helióstatos desarrollados y
aplicados en estas plantas es similar al presentado aquí, ya que
todos estos se basan en un mecanismo de seguimiento
azimut-elevación, mientras que el presentado se basa
en un mecanismo de rotación alrededor del eje de apuntamiento y
elevación.
El sistema azimut-elevación
consta de un eje de giro vertical (constante) y otro horizontal (que
gira con el primero). Este montaje conlleva problemas asociados a la
óptica en la reflexión, disminuyendo la concentración de los rayos
reflejados por el sistema y por tanto la eficiencia total de la
planta solar.
La diferencia esencial de la invención es la
configuración de los ejes de giro, la cual permite, por otra parte,
introducir el sistema de control en lazo cerrado.
La invención que se describe a continuación se
ha desarrollado tras numerosos estudios y pruebas, y tras la
comprensión de las posibilidades de optimización de diversas
soluciones previamente planteadas por diversos equipos de
investigación.
El objetivo general pretendido con la presente
invención es el desarrollo de un dispositivo económico en su
instalación, que minimice las necesidades y gastos de mantenimiento,
que aproveche al máximo la radiación solar y que resulte rápido y
fácil de instalar en cualquier ubicación.
En los dispositivos ya existentes cuyo cometido
es reflejar la energía proveniente del Sol hacia un objetivo se
encuentran dos problemas principales:
El sistema de control es en lazo abierto, ya que
por construcción estos dispositivos no son capaces de obtener una
señal que indique en qué medida se acercan o alejan al estado
deseado de funcionamiento. Esto es causa de costosos sistemas de
control, aparte de una reducción de la precisión.
La energía reflejada varía la forma de incidir
en el objetivo en gran medida con el tiempo. Debido a que el ángulo
con que el Sol se refleja en el helióstato varía grandemente, esto
afecta a la óptica de reflexión variando la forma en que la energía
reflejada incide en el objetivo a lo largo del tiempo, pudiendo
llegar a doblar el tamaño de la región de incidencia de los rayos
reflejados.
La invención que se propone para satisfacer los
objetivos planteados y solventar estos problemas consiste en un
dispositivo formado por un helióstato que refleje la radiación solar
con menor error astigmático (fenómeno explicado anteriormente) en
función del tiempo, y cuya operación se hace en configuración
diferente a las existentes, con control en lazo cerrado.
Todo esto es posible porque la cinemática del
sistema es sustancialmente diferente a la de los anteriores
dispositivos.
Al igual que en estos dispositivos, el sistema
consta de dos giros ortogonales a lo largo de sendos ejes de giro de
los cuales uno de ellos, el primario, es fijo en el espacio y el
otro, el secundario, varía su posición en función del giro alrededor
del primario.
Por el contrario, en la invención propuesta el
eje primario se mantiene apuntando al objetivo en todo momento, por
tanto el eje primario contiene al objetivo. A esta configuración la
llamamos de apunte a objetivo. El plano formado por el eje primario
y el Sol será el plano de reflexión, ya que en dicho plano se
refleja la energía solar al objetivo. El eje secundario será el eje
perpendicular al plano de reflexión.
Esta condición geométrica, en la que el plano
perpendicular al eje secundario ha de contener al Sol y por tanto
los rayos provenientes del Sol se mantienen perpendiculares al eje
secundario, es la que brinda la posibilidad de disminuir el error
astigmático. El cómo hacerlo entra dentro del campo de aplicación
referido a la superficie reflectante, y al estar éste fuera del
alcance de esta patente no se ahondará más en esta cuestión.
La condición geométrica destacada en el párrafo
anterior es utilizada también para obtener la primera de las dos
señales que permiten el control en lazo cerrado. Para ello, se
coloca un apuntador o sensor solar en el extremo exterior de la
superficie reflectante, y contenido en el plano perpendicular al eje
secundario. Este sensor solar proporciona una señal que indica si el
Sol se encuentra a un lado u otro del plano perpendicular al eje
secundario. Esta señal permite saber si el giro del eje primario es
el adecuado para reflejar la energía solar en el objetivo.
El fin último de la invención es reflejar la
energía hacia el objetivo, lo cual significa que la energía
reflejada se desplace hacia el objetivo según la dirección indicada
por el eje primario. Esto se puede traducir en que el rayo principal
reflejado se encuentre simultáneamente en dos planos
perpendiculares, que geométricamente indica que dicha dirección es
la de la recta formada por la intersección de ambos planos.
El primer sensor presentado comprueba la primera
de estas dos condiciones. La segunda condición es que el rayo
principal reflejado se encuentre contenido en el plano formado por
el eje primario y el eje secundario. El plano formado por el eje
primario y secundario es el plano de accionamiento.
Existen dos métodos para comprobar que se cumple
la segunda condición:
Medición directa: se coloca un sensor en el
camino de la energía reflejada al objetivo. Se intercepta una
pequeña cantidad de energía de la destinada a alcanzar al receptor
para verificar que apunta correctamente.
Medición indirecta: se desvía una pequeña
cantidad de energía de la destinada a alcanzar al receptor en
sentido opuesto y paralelamente a su dirección de desplazamiento
mediante un sistema óptico. Es ésta energía la que es comprobada por
el sensor.
Existen dos tipos de sistema óptico:
Reflexivo: refleja la energía incidente mediante
una superficie reflectante secundaria que forma 90º con la
superficie reflectante del helióstato. Por geometría básica, el
ángulo formado por las direcciones principales energía reflejada por
el sistema de reflexión principal y éste secundario es 180º. Este
sistema se encuentra representado en la figura 10.
Holográfico: capta parte de la energía incidente
mediante una superficie con un tratamiento óptico especial que tras
de sí forma una imagen virtual del Sol que indica cuando la energía
reflejada llega al receptor o si el sistema no está correctamente
alineado.
Para completar el sistema de medición se coloca
en el eje primario, tras el sistema óptico, un sensor igual al que
monitoriza la primera condición y con su plano de referencia
paralelo al formado por el eje primario y el eje secundario.
El conjunto de los elementos descritos y la
estrategia de movimiento y control conforman la invención de la que
es objeto este documento.
Para una mejor comprensión de lo expuesto aquí
en el siguiente apartado se clarifican todos los términos utilizados
y se ilustran mediante imágenes.
En primer lugar se enumeran y desarrollan una
serie de términos, con el significado que se describe y que están
representados en una serie de figuras.
- Energía solar: energía radiante que proviene
del Sol y que llega a la superficie terrestre con una intensidad y
composición espectral características.
- 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
foco a lo largo del día.
- Campo de helióstatos: También denominado
concentrador primario o campo solar, es un conjunto de helióstatos
dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de
energía radiante a un objetivo o receptor.
- Receptor solar u objetivo: 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.
- Planta termosolar 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.
- Rayo principal incidente: el que proviene del
centro del disco solar y corta en el punto central de la óptica del
helióstato.
- Rayo principal reflejado: el que proviene del
punto medio central de la óptica del helióstato y resulta de la
reflexión del rayo principal incidente en el helióstato.
- Sensor solar o apuntador solar: Dispositivo
que mediante fenómenos ópticos, fotovoltaicos, térmicos o de
cualquier otra índole es capaz de discriminar la posición del Sol
respecto a un plano de referencia, permitiendo conocer si el Sol
queda a un lado u otro del mismo, generalmente con la finalidad de
llevar a coincidir este plano de referencia con la posición del Sol
(condición de apunte).
- Sistema óptico: dispositivo instalado en el
helióstato cuya finalidad es desviar una pequeña parte de la energía
incidente de manera que sea posible monitorizar gracias a ésta, y
mediante un sensor solar, la incidencia del resto de la energía
reflejada en el receptor solar u objetivo.
- Primera condición o condición 1: El plano
perpendicular al eje secundario ha de contener al Sol. Es una de las
dos condiciones geométricas que conducen a que el rayo principal
reflejado se dirija correctamente hacia el objetivo, y en la
invención propuesta se consigue mediante una rotación adecuada del
eje primario.
- Sensor de condición 1 o sensor 1: Sensor solar
que informa del cumplimiento de la condición 1.
- Segunda condición o condición 2: Puede
enunciarse como "el rayo principal reflejado se encuentra
contenido en el plano formado por los ejes primario y
secundario". Es una de las dos condiciones geométricas que
conducen a la correcta reflexión del rayo principal hacia el
objetivo, y en la invención propuesta se consigue mediante una
rotación adecuada del eje secundario.
- Sensor de condición 2 o sensor 2: Sensor solar
que informa del cumplimiento de la condición 2.
- Rayo secundario incidente: el que proviene del
centro del disco solar y corta en el punto central del sistema
óptico.
- Rayo principal desviado: el que proviene del
punto central del sistema óptico y resulta de la reflexión del rayo
secundario incidente.
- Plano de reflexión: El que contiene al rayo
principal incidente y al rayo principal reflejado.
- Eje primario: Eje de giro del helióstato que
permanece fijo en el espacio durante su operación y respecto del que
gira el conjunto móvil.
- Plano principal de la óptica: Plano de
simetría de la superficie reflectante, que a su vez contiene al eje
primario.
- Eje secundario: Eje de giro del helióstato que
es ortogonal al eje primario, y al plano principal de la óptica.
- Eje óptico de un helióstato: línea recta
virtual que pasa por el centro de la óptica, corta ortogonalmente al
eje secundario del helióstato y está contenido en el plano principal
de la óptica.
- Plano de accionamiento: plano que contiene al
eje primario y al eje secundario.
- 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.
- Montura spin-elevación:
Dispositivo mecánico constructivamente similar a la montura
horizontal pero cuyo eje primario no es vertical sino que se orienta
de tal manera que dicho eje apunta al objetivo o receptor solar. El
sistema de ejes en este caso también es ortogonal, lo que significa
que el eje secundario permanece perpendicular al primario en todo
momento. La orientación del helióstato, en función de la evolución
diurna del Sol se consigue mediante giros alrededor del eje primario
e inclinación respecto del eje de apunte.
- Facetas: Elementos especulares individuales de
que se compone la superficie reflectante de algunos helióstatos.
- 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.
- Estrategia de apunte: Procedimiento de
operación de una planta termosolar 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.
- 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.
Para completar la descripción que sigue 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 preferente 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:
La figura 1 muestra una planta termosolar de
receptor central donde puede utilizarse el helióstato de la
invención. También pueden observarse los elementos principales de la
planta como la torre (13) donde se ubica el receptor (11), los
helióstatos y otras instalaciones anexas.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva
trasera de la montura "horizontal" de un helióstato. En esta
figura se pueden observar el eje cenital (9), que en este caso
coincide con el eje primario (3), y el eje secundario (5) en este
caso horizontal. Esta configuración es la más habitual, en
configuración monoposte donde la estructura es soportada por un
pedestal (7), donde también se puede observar un elemento común a
todo helióstato, el dispositivo de control (8).
La figura 3 muestra una vista en perspectiva
trasera de una montura "spin-elevación" de una
variante del helióstato de la invención. Esta configuración es más
similar a la configuración de montura "horizontal". El modo de
soportar el peso de la estructura es mediante un pedestal (7), y
también consta de dispositivo de control (8). En esta montura, el
eje primario (3) varía su inclinación y orientación en función de la
posición relativa al objetivo (11). El eje secundario (5), que en la
posición representada se encuentra en posición horizontal, varía su
posición dentro de un plano perpendicular al eje primario (3). En la
figura se puede observar también los puntos de giro en los que se
regula la inclinación y orientación del eje primario, en el
mecanismo de unión del pedestal (7) y el eje primario (3).
La figura 4 muestra una perspectiva del
helióstato objeto de la invención, en configuración general. Cabe
destacar que en esta se puede observar claramente los ejes primario
(3) y secundario (5), y una manera de accionarlos mediante los
accionamientos primario (4) y secundario (6). También se representa
el sistema de control (8), común a todo helióstato. En el centro de
la superficie reflectante se ubica el sistema óptico (17) por
delante del sensor de la condición 2 (15) que junto con el sensor de
condición 1 (14) representado en la siguiente figura conforman el
sistema de captación necesario para el control en lazo cerrado.
La figura 5 muestra una vista lateral y otra
frontal del helióstato. En esta figura, aparte de los elementos
destacados en la figura anterior, tales como el eje primario (3),
accionamiento primario (4), eje secundario (5), accionamiento
secundario (6) y el sistema de control (8), se pueden observar otros
elementos. La superficie reflectante (1) se monta sobre el soporte
móvil (2), y sobre este soporte también se ubica el sensor de la
condición 1 (14) en un extremo.
La figura 6 muestra una vista en planta del
plano de reflexión. En esta vista se pueden observar las principales
características de la reflexión de la energía solar en una posición
correcta de apunte. La superficie reflectante (1) se orienta según
el eje óptico (18). El rayo principal incidente (22) y el rayo
principal reflejado (23) forman en cada momento ambos un ángulo
\gamma con el eje óptico (18) consecuencia directa de la ley de
reflexión. El rayo principal reflejado (23) resulta de la reflexión
del rayo principal incidente (22) que proviene del Sol (12), y es
reflejado por la superficie reflectante (1), y para que éste alcance
al objetivo (11), situado en la torre (13), ha de cumplirse que éste
sea coincidente con el eje principal (3), para lo que se acciona el
sistema mediante los ejes principal (3) y secundario (5). Aunque en
esta figura no esté representado, el plano principal de la óptica
(21) y el plano de referencia del sensor de la condición 1 se
ubicarán ambos en el plano de reflexión para que se cumpla la
condición 1.
\newpage
La figura 7 muestra, esquemáticamente en
perspectiva, la geometría espacial en que se fundamenta la
invención. En esta configuración se están cumpliendo las dos
condiciones de apunte que permiten al rayo principal reflejado (23)
alcanzar el objetivo (11). Esta representación aclara la
participación de algunos elementos que no aparecen en la figura
anterior, como el plano de accionamiento (10).
La figura 8 es un alzado de la figura 6. Esta
figura junto con las dos anteriores acaba de clarificar la posición
espacial de todos los elementos que intervienen en la reflexión.
La figura 9 representa el detalle de una posible
configuración del sensor 1 (14). Este sensor está compuesto por una
superficie opaca (24) como representación física del plano de
referencia y dos superficies sensibles (25) a la energía solar
incidente. La superficie sensible (25) del lado de donde se
encuentre el Sol (12) producirá una mayor señal (puede observarse la
parte punteada donde no se ilumina la superficie sensible), lo que
indica el incumplimiento de la condición 1. En el momento que el Sol
(12) se encuentre contenido en el plano de referencia, las
superficies sensibles (25) generarán la misma señal y se sabrá que
la posición respecto al giro del eje principal es correcta.
La figura 10 representa el detalle de una
posible configuración del sistema óptico (17) del sensor 2 (15). En
este caso, el sensor 2 (15) es igual al sensor 1 (14), con la
salvedad de que solo varía su posición por acción del eje primario
(3) permaneciendo en todo momento la superficie opaca (24) paralela
a este eje. La superficie opaca (24) también permanece paralela al
eje secundario (5), por lo que dicha superficie se ubica en el plano
de accionamiento (10), que es perpendicular al plano principal de la
óptica (21) que es el plano al que es paralela la superficie opaca
(24) del sensor 1 (14). La superficie reflectante secundaria (26)
gira alrededor del eje secundario (5) reorientando el rayo principal
desviado hacia el sensor 2 (15). Por el mismo fenómeno que en el
sensor 1 (14), cuando las superficies sensibles produzcan la misma
señal, el rayo principal desviado (19) será paralelo al eje primario
(3) y por tanto el principal reflejado (23) también será paralelo a
dicho eje y por tanto se dirigirá al objetivo (11).
La figura 11 presenta una vista del plano de
reflexión, una vez se cumple la condición 1, por tanto el Sol como
el objetivo están en el plano de reflexión. En esta figura puede
verse la disposición del sensor 2 (15) y su sistema óptico (17)
cuando el giro alrededor del eje secundario (5) lleva al
cumplimiento de la condición 2. Conviene enfatizar aquí que el
accionamiento del giro alrededor del eje secundario (5) modifica la
orientación en el plano de la figura de todos los elementos del
helióstato representados con la excepción del sensor 2 (15). Esto es
así debido a que el sensor 2 (15) se encuentra ubicado o unido a la
pieza en T que articula el movimiento según el eje secundario (5), y
por ello no experimenta movimiento alrededor de éste eje.
Se hace notar que las figuras 1 a 3 corresponden
al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad
de la invención, las figuras 4 a 6 corresponden a la descripción
estructural de la invención, las figuras 7 y 8 corresponden a la
explicación del modo de funcionamiento de la invención, mientras que
las figuras 9 a 11 son un detalle de una realización preferente de
los sensores del sistema.
En dichas figuras las referencias numéricas
corresponden a las siguientes partes y elementos:
- 1.
- Superficie reflectante.
- 2.
- Soporte móvil.
- 3.
- Eje primario.
- 4.
- Accionamiento primario.
- 5.
- Eje secundario.
- 6.
- Accionamiento secundario.
- 7.
- Pedestal.
- 8.
- Dispositivo de control.
- 9.
- Eje cenital.
- 10.
- Plano de accionamiento.
- 11.
- Objetivo o receptor solar.
- 12.
- Sol.
- 13.
- Torre.
- 14.
- Sensor condición 1.
- 15.
- Sensor condición 2.
- 16.
- Suelo.
- 17.
- Sistema óptico.
- 18.
- Eje óptico.
- 19.
- Rayo principal desviado.
- 20.
- Plano de reflexión.
- 21.
- Plano principal de la óptica.
- 22.
- Rayo principal incidente.
- 23.
- Rayo principal reflejado.
- 24.
- Superficie opaca.
- 25.
- Superficie sensible.
- 26.
- Superficie reflectante secundaria.
- 27.
- Rayo secundario incidente.
La figura 1 muestra una planta termosolar de
receptor central, donde se ha representado un detalle de la zona de
la torre en que se ubica el receptor solar.
En la figura 2 se muestra el montaje
convencional de un helióstato. 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).
La solución propuesta pasa por inclinar el eje
primario para que apunte al objetivo (11).
La realización preferente se representa en la
figura 3, donde se puede observar que el sistema consta de una
estructura fija formada por un pedestal (7) que puede ser de acero u
hormigón, y el eje principal (3), siendo éste regulable en elevación
y orientación horizontal para apuntar al objetivo (11). Esta
regulación se realiza para cada helióstato y en una única ocasión al
ser instalado el sistema, ya que a partir de esta regulación inicial
el eje principal (3) permanece fijo en el espacio a lo largo del
tiempo. También consta de una superficie reflectante (1), la cual se
apoya en un soporte móvil (2) que impide la deformación de dicha
superficie y a su vez permite el movimiento por el que la reflexión
de la energía solar alcanza el receptor. Estos movimientos son
producidos por un sistema de accionamiento compuesto por dos
actuadores independientes (4) y (6), de los cuales en esta
realización preferente y sin carácter limitante el actuador
principal (4) es un actuador lineal mientras que el actuador
secundario es un actuador rotatorio, siendo ambos los que permiten
el apunte del helióstato. Completan el sistema un conjunto de
sensores de reflexión (14) y (15), representados en las figuras de
detalle 9, 10 y 11, y un dispositivo de control que se encarga de
que en todo momento la energía reflejada por el helióstato alcance
el receptor (11).
El sistema basa su funcionamiento en realizar un
giro alrededor de un eje fijo (eje principal (3)) que tiene la
peculiaridad de apuntar al receptor solar u objetivo (11).
El segundo giro que realiza el helióstato para
poder controlar el apunte del sistema se realiza según un eje
perpendicular al eje principal denominado eje secundario (5).
La primera condición de apunte que ha de cumplir
el sistema es que el plano principal de la óptica (21) contenga al
rayo principal incidente (22), o lo que es lo mismo, que el plano
principal de la óptica (21) sea coincidente con el plano de
reflexión (20). En las figuras 6 a 8 se cumple esta condición,
siendo además el plano del dibujo en el caso de la figura 6 el plano
principal de la óptica (21). Si esta condición no se cumpliese, el
rayo principal reflejado se desviaría respecto al objetivo (11).
Esta condición se satisface mediante el
accionamiento primario (4) dispuesto según el eje primario (3).
La segunda condición es que el rayo principal
reflejado (23) sea paralelo al eje primario (3). Esta condición se
consigue mediante el accionamiento secundario (6) según el eje
secundario (5), y sólo es posible si se satisface la condición
primera.
La operación de ambos accionamientos sigue una
estrategia independiente, pero finalmente han de cumplirse ambas
condiciones.
El sistema de sensores detecta si se cumplen o
no las condiciones de apunte, y de no cumplirse advierte al sistema
de control en qué medida o de qué manera no se cumplen las
condiciones.
El sistema consta de dos tipos de sensores que
miden si:
- El plano principal de la óptica (21) contiene
al rayo principal incidente (22).
- El rayo principal reflejado (23) es paralelo
al eje primario (11).
La primera de las condiciones se monitoriza por
un sensor dispuesto en la intersección del plano principal de la
óptica (21) y el borde exterior de la superficie reflectante (1) y
detecta en cual de las dos regiones espaciales de las definidas por
el plano principal de la óptica (21) se encuentra el rayo principal
incidente. Para una mayor claridad de este sistema, la figura 5
clarifica la ubicación referida, y la figura 9 presenta una
realización preferente de este sensor.
La segunda de las condiciones se monitoriza por
un sensor dispuesto según el eje principal que detecta en qué región
del espacio de las definidas por el plano de accionamiento (10) se
encuentra la imagen del Sol, tras ser redireccionada por un sistema
óptico (17) ubicado en la realización preferente en el centro de la
superficie reflectante (1) y por delante del sensor de la condición
2 (15). Este sistema esta representado en la figura 10, donde el
detalle se extrae de la zona central de la superficie reflectante
(1). Aquí existe un hueco por el que el rayo principal desviado se
dirige al sensor de condición 2 (15) que para este caso es idéntico
al sensor condición 1 (14) pero orientado su plano opaco (24), que
es su plano de referencia, paralelo al plano de accionamiento
(10).
En la figura 5 se muestra una realización
preferente desde el tipo de vista constructivo, en la que no se ha
introducido restricción alguna en cuanto a la orientación del
objetivo. El helióstato objeto de la invención comprende una
superficie reflectante (1), 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), mediante un accionamiento secundario (6). Ambos
accionamientos (4) y (6) están gobernados por un dispositivo de
control (8). El conjunto esta soportado por un pedestal (7) cuyo
diseño permite el movimiento de la superficie reflectante (1) y del
soporte móvil (2) sin interferir con el propio pedestal (7).
En una realización particular, denominada de
montaje monoposte y descrita en la figura 3, se dispone el objetivo
(11) sobre el receptor de una torre (13), estando alineado el eje
primario (3) de manera que atraviesa el objetivo (11).
El sistema de sensores permite determinar de
manera independiente el comportamiento de las condiciones de
reflexión expresadas anteriormente, lo que por accionamiento
independiente (ambas variables de control no están ligadas lo que
facilita enormemente el control de la invención) llevará al sistema
de control mediante lazo cerrado a cumplir constantemente las
condiciones de reflexión.
La estructura soporte móvil (2) es una
estructura reticular simple con secciones longitudinales
perpendiculares al eje de accionamiento y soporte que es el eje
secundario (5). Un detalle de la realización preferente se puede
observar en la figura 3. El eje secundario (5) es una viga de
sección circular accionada por el actuador secundario (6), actuador
lineal, rotando este sistema en torno a los orificios de las
orejetas pertenecientes a una pieza en T, siendo el eje de dicha T
(el brazo perpendicular al eje formado por los centros de las
orejetas) el eje primario (3). En cierto punto de su longitud, el
eje de la T quedará dividido en dos secciones, que dispondrán de
giro relativo respecto a este eje primario (3) mediante una unión
por cojinetes. Este giro del eje primario (3) estará accionado por
el actuador primario (4).
Esta T a su vez se encuentra articulada según un
eje horizontal perpendicular al eje primario (3) y en un punto
inferior a la unión por cojinetes que permite el giro alrededor del
eje primario (3). La pieza en T mencionada se articula para permitir
variar la elevación del eje primario (3) en el apunte inicial, sobre
una segunda pieza en T similar a la ya mencionada compuesta por dos
orejetas y un eje (brazo perpendicular al eje formado por las
orejetas). En este caso el eje es una única pieza a diferencia de la
pieza en T mencionada con anterioridad. El eje formado por el centro
de estas orejetas es el eje horizontal mencionado, alrededor del
cual se articula la pieza en T inicial. Esta segunda pieza en T gira
alrededor de un eje vertical respecto al pedestal (7) para permitir
la orientación acimutal del eje primario (3). Ambos giros, alrededor
de éste eje vertical y alrededor de las orejetas de la segunda pieza
en T, son los que permiten la orientación inicial del eje primario
(3) para que apunte siempre al objetivo (11). Estos dos últimos
giros se impiden en el funcionamiento normal del sistema siendo
utilizados simplemente para el apunte al objetivo en el momento de
instalación y ajuste del sistema.
Claims (4)
1. Helióstato caracterizado por disponer
de un eje de accionamiento apuntando al objetivo, dos sensores
solares de reflexión o refracción, control en lazo cerrado, e
independiente de la solución de la óptica reflectante principal. El
primer sensor solar (14) detecta la posición del rayo principal
incidente (22) respecto al plano principal de la óptica (21),
mientras que el segundo sensor solar (15) detecta la posición del
rayo principal reflejado (23) respecto al plano de accionamiento
(10). El sistema de control en lazo cerrado es alimentado
retroactivamente por las señales de estos dos sensores que comparan
en todo momento dichas señales y coordina los accionamientos
primario (4) y secundario (6) para conseguir en todo momento la
condición de apuntamiento a objetivo.
2. Helióstato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por disponer de un soporte móvil (2), que
gira bajo la acción de un accionamiento primario (4) respecto a un
eje primario (3) coincidente con la dirección de apunte al objetivo
(11), y sobre el que va montada la superficie reflectante (1) de muy
alta reflectividad que gira bajo la acción de un accionamiento
secundario (6) respecto a un eje secundario (5) perpendicular tanto
al eje primario (3) como al plano principal de la óptica (21).
3. Helióstato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por disponer de un sensor solar (14) que se
sitúa preferentemente en el contorno de la superficie reflectante
(1) y es solidario a la misma, y dispone de una superficie opaca
(24) que actúa como plano de referencia y dos superficies sensibles
(25) a la energía solar incidente.
4. Helióstato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por disponer de un sensor solar (15) que se
sitúa en el centro de la superficie reflectante (1) girando
exclusivamente alrededor del eje primario (3) permaneciendo en todo
momento su superficie opaca (24) paralela a este eje y al eje
secundario (5). El sensor recibe la radiación solar tras el reflejo
de la misma en un sistema óptico (17), formado por una superficie
reflectora secundaria (26). Esta superficie reflectante secundaria
(26) es perpendicular a la superficie reflectante (1) del
helióstato, y contiene el eje secundario del mismo.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200802278A ES2358815B2 (es) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Heliostato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado. |
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ES200802278A ES2358815B2 (es) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Heliostato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado. |
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ES2358815A1 true ES2358815A1 (es) | 2011-05-16 |
ES2358815B2 ES2358815B2 (es) | 2011-10-05 |
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ES200802278A Expired - Fee Related ES2358815B2 (es) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Heliostato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado. |
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Country | Link |
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ES (1) | ES2358815B2 (es) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012117123A1 (es) * | 2011-03-03 | 2012-09-07 | Aplicaciones Renovables Integradas, S.L. | Helióstato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado |
WO2015193523A1 (es) * | 2014-06-17 | 2015-12-23 | Aplicaciones Renovables Integradas, Sl | Helióstato |
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WO2000066947A1 (en) * | 1999-04-29 | 2000-11-09 | Richard James Pond | Sun reflector system |
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-
2008
- 2008-07-31 ES ES200802278A patent/ES2358815B2/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Base de datos EPODOC, recuperado de EPOQUE: PN JP 2007180257 A & JP 2007180257 A (HIJI DENKI KK) 12.07.2007; Resumen y figuras. * |
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WO2015193523A1 (es) * | 2014-06-17 | 2015-12-23 | Aplicaciones Renovables Integradas, Sl | Helióstato |
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---|---|
ES2358815B2 (es) | 2011-10-05 |
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