ES2375876A1 - Seguidor solar con cilindros oleohidraulicos y metodo de funcionamiento. - Google Patents
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Abstract
Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos que aumenta la rigidez del sistema a base de mantener las dos cámaras de cada uno de los cilindros presurizadas, aún en estado de reposo. De esta forma se consigue aumentar la precisión del sistema evitando movimientos indeseados de los cilindros debidos a la compresión del aceite. El sistema comprende un circuito con al menos un conjunto de cilindro (8, 9), una central oleohidráulica y un sistema de control (5), siendo la central oleohidráulica la que proporciona el aceite a los cilindros controlando la velocidad de movimiento de estos y el sistema de control (5) el que supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posibles accidentes.
Description
Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos y
método de funcionamiento.
La invención se encuadra dentro del sector de la
energía solar, más concretamente se refiere a la tecnología de los
seguidores solares, ya sea para colectores
cilindro-parabólicos, discos parabólicos,
helióstatos o módulos fotovoltaicos, para conseguir su continua y
precisa orientación hacia el sol.
La generación de energía a partir de la
radiación solar es una industria en continuo desarrollo. Existen
gran cantidad de tipologías de receptores solares pero todos ellos
se basan en una premisa fundamental: cuanta más radiación solar sean
capaces de captar, mayor será la cantidad de energía producida.
Existen principalmente dos tipos de tecnologías:
termosolar y fotovoltaica. La termosolar está basada en el concepto
de la concentración de la radiación solar para producir vapor o
aire caliente, que puede posteriormente ser usado en plantas
eléctricas convencionales. La tecnología fotovoltaica se basa en el
efecto fotoeléctrico para la producción de electricidad.
Dentro de la tecnología termosolar existen dos
grandes grupos de concentradores los puntuales y los lineales.
Dentro de los concentradores puntuales se distinguen los
concentradores de disco parabólicos y las centrales de torre,
rodeadas estas últimas de helióstatos que concentran la luz solar
sobre ellas. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador
Cilindro Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro
y en la actualidad empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales
tipo Fresnel (CLF), que también utilizan espejos para reflejar la
luz solar.
La mayoría de estos sistemas, ya sean
concentradores de disco parabólicos, helióstatos, colectores
cilindro parabólicos o módulos fotovoltaicos, utilizan un sistema de
seguimiento que les permite mantenerse orientados de forma
permanente hacia el sol, aumentando así la cantidad de energía
producida.
Los seguidores solares, en la mayoría de los
casos, realizan el seguimiento tanto acimutal como cenital y se
manejan gracias a circuitos de cilindros oleohidráulicos.
Existe una gran cantidad de documentos que
describen diversos desarrollos de seguidores de este tipo, como
pueden ser las patentes ES2329854, ES2322527, WO2008/096029...
Este tipo de manejo se encuentra un problema
grave: el aceite no es un fluido incompresible. Esto conlleva a que
se produzcan ligeros movimientos que, aunque para la mayoría de las
aplicaciones industriales no suponga un problema a tener en
consideración, en el caso de concentración solar, sea la causa de un
importante descenso de la eficiencia de los sistemas.
El cambio de volumen con respecto al volumen
inicial que experimenta el aceite debido a un cambio de presión, se
denomina constante de compresibilidad. En aceites minerales el valor
de esta constante se aproxima a 1,5 GPa, reduciendo el volumen del
orden del 0,7% por cada 100 bares de presión.
Esta constante también depende de la presión y
temperatura inicial a la que se encuentre el aceite, aumentado su
valor cuanto mayor sea la presión inicial y menor sea la
temperatura.
Por otro lado, en cilindros y hablando en
valores absolutos, un volumen de aceite se puede comprimir menos
cuanto menor es el diámetro del cilindro y por lo tanto su
volumen.
En seguidores los cambios de volumen de aceite
son debidos a la acción de fuerzas externas como el viento y el peso
propio del seguidor.
Todo esto supone que en cilindros de 883 mm de
longitud, como los utilizados en ciertos seguidores, el movimiento
producido como consecuencia de la compresión sea de 6 mm.
Para el caso de los cilindros que regulan la
orientación al sol como los usados en la tecnología solar, una
pérdida de precisión implica que disminuya de manera considerable
la eficiencia del sistema. Una desviación en el movimiento del orden
de 6 mm, puede suponer pérdidas de hasta el 100% en un instante
dado.
Una posible solución consiste en emplear
sistemas que frenan externamente el cilindro (frenos de vástago),
si bien estos sistemas presentan la limitación de que, al no estar
pensados para muchas maniobras de movimiento, dañan los cilindros
tras un uso frecuente y prolongado. En el caso de los seguidores
solares la aplicación es bien distinta, ya que requiere una gran
cantidad de maniobras de aplicación de freno. También se podrían
utilizar frenos de pinza, pero esta solución implica un alto coste
que no compensa la ganancia de eficiencia.
Por todo ello, la presente invención tiene como
objetivo proporcionar una solución al problema de pérdida de
precisión debida a la compresión del aceite, lográndose un aumento
de la rigidez del sistema sin que ello suponga un aumento
considerable en costes.
La invención describe un sistema de cilindros
oleohidráulicos para el manejo de seguidores solares. Gracias a una
presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la
rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la
pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
El sistema que se reivindica es válido tanto
para seguidores que realizan su movimiento en uno o más ejes como
para sistemas que empleen uno o varios cilindros.
En la actualidad, para aplicaciones ordinarias
hidráulicas, el movimiento se origina al aplicar una presión de por
ejemplo, 80 bares, sobre una de las cámaras del cilindro y la otra
cámara se conecta a tanque (0 bares). La diferencia de presión entre
las cámaras es la que produce, mediante la circulación del aceite,
el movimiento del émbolo. Como una de las cámaras se encuentra a 0
bares (presión de tanque), el cilindro se comporta como si la
rigidez del sistema completo fuera proporcionado por la cámara a 80
bares, por lo tanto, la precisión del conjunto vendrá dada por la
presión de esta cámara, que a su vez, dependiendo de la posición del
émbolo en el cilindro (el cual nos da el volumen de esta cámara),
determinará la compresión del aceite. Está compresión será mayor
cuanto más volumen de aceite tengamos en esa cámara.
Esta compresión se traduce en una pérdida de
precisión del sistema seguidor.
En algunas ocasiones se puede paliar este efecto
de pérdida de precisión compensando las desviaciones mediante el
sistema de control del seguidor solar. Por ejemplo, a medida que el
heliostato varía su posición en elevación y el centro de gravedad se
desplaza, se produce una tracción o compresión en el cilindro con la
consiguiente pérdida de precisión. Gracias al lento movimiento del
seguidor es posible conocer la diferencia entre la posición real y
la teórica por medio de un sensor de posición. Una vez conocido
dicho error, se puede corregir la diferencia recalculando la nueva
posición. En el caso de que se apliquen cargas de manera puntual
como por ejemplo, las debidas a ráfagas de viento, resulta muy
difícil compensar el error producido debido al tiempo de respuesta
que tienen los sistemas hidráulicos.
Además hay que tener en cuenta que este tipo de
seguidores se encuentran en continuo movimiento (del orden de tres
veces por minuto), por lo que las correcciones tendrían que ser
continuas. Con esta solución no se evita, por tanto, que surja el
problema, aunque si se consiguen corregir las consecuencias del
mismo.
El sistema de la invención, a diferencia del
estado de la técnica conocido, propone una solución que evita la
aparición del problema o al menos, lo minimiza hasta valores
técnicamente aceptables.
La precisión de los seguidores tiene una fuerte
dependencia de la constante de compresibilidad. Esta precisión
aumenta cuando la constante de compresibilidad del aceite aumenta.
Como se dijo en apartado anterior, la constante de compresibilidad
aumenta si aumenta la presión inicial a la que está sometido el
aceite, por lo tanto una presurización de los cilindros
proporcionará un aumento de precisión en el seguidor. Gracias a una
presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la
rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la
pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
En esta nueva aplicación se parte de cilindros
cuyas dos cámaras se encuentran sometidas a una presión de, por
ejemplo 100 bares, cuando el seguidor está en reposo, en vez de
mantenerse sin presurizar como ocurre en el caso anterior.
Así, cuando se pretende mover el sistema y se
aplica una presión, por seguir con el ejemplo anterior de 80 bares
sobre el émbolo, dicha presión se reparte entre las dos cámaras, de
forma que una de las cámaras, pasará a encontrarse a una presión de
140 bares y la otra disminuirá su presión hasta una presión de 60
bares (pues los 80 bares se reparten entre ambas cámaras). Al
encontrarse las dos cámaras bajo una presión, la precisión del
conjunto viene dada por la suma de las compresibilidades de ambas
cámaras, consiguiéndose un aumento de precisión, en el peor de los
casos, del doble si comparamos con el sistema anterior.
La presión final depende de factores como son la
diferencia de superficies debido a la superficie del vástago y la
posición del émbolo.
La influencia de la posición del émbolo tampoco
es trivial. Como se dijo en los párrafos anteriores, la precisión
de un cilindro hidráulico presurizado depende de la suma de las
compresibilidades de las dos cámaras que lo componen y esta
compresibilidad depende de la cantidad de aceite que tengamos en
cada cámara y por lo tanto de la posición del émbolo dentro del
cilindro que nos define el volumen de aceite en cada cámara.
Así, si el émbolo se encuentra en la mitad de la
carrera, esto es, a la mitad del cilindro podemos considerar que en
las dos cámaras hay la misma cantidad de aceite, (algo que no es
totalmente cierto porque el área del embolo para una de las cámaras
es ligeramente mayor que para la otra, pero es una diferencia que no
influye en este razonamiento), por lo tanto podemos considerar que
la precisión del cilindro y por lo tanto del seguidor es debida a la
suma de las dos compresibilidades de las dos cámaras que son
iguales y en este caso, esta precisión es aproximadamente el doble
que en el caso de aplicaciones ordinarias.
Cuando el émbolo se encuentra en sus posiciones
extremas la precisión aumenta a más del doble porque domina la
precisión de la cámara que contiene menor volumen al sumarse la
compresibilidad de ambas. Así pues, siempre tendremos una precisión
mayor o igual al doble que a la que teníamos en los casos normales
de aplicaciones hidráulicas.
Esta solución de presurizar previamente las
cámaras logra aumentar la rigidez del sistema y disminuye la pérdida
de precisión ocasionada por la compresión del aceite hasta un punto
en el que ya no afecta a la eficiencia del sistema.
Para poder llevarla a cabo, son pocas las
modificaciones a hacer en los sistemas actuales y suponen un
incremento en el coste prácticamente despreciable frente al coste
del conjunto, pues habrá que aumentar el espesor de las paredes de
los cilindros para que soporten una presión mayor en las cámaras
(en lugar de 80 bares, tendrán que soportar 140 bares) y sólo habrá
que sustituir alguna de las juntas que, incluso a veces, están tan
sobredimensionadas que no les afecta la subida de presión.
Así pues, con este sistema se consiguen
minimizar los movimientos del seguidor hasta un punto en que la
eficiencia en la producción de energía no sufra disminución
apreciable y sin aumentar de forma apreciable el coste final del
sistema.
Para completar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la
invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- Figura 1: Circuito oleohidráulico de un
seguidor solar, según la invención.
Las referencias que aparecen en las figuras
corresponden a los siguientes elementos:
- 1.
- Tanque.
- 2.
- Motobomba.
- 3.
- Tapón de llenado.
- 4.
- Filtro retorno.
- 5.
- Sistema de control.
- 6.
- Bloque limitador de presión de dilataciones térmicas.
- 7.
- Bloque para cilindro sin limitador de presión.
- 8.
- Cilindro de carrera 883 mm.
- 9.
- Cilindro de carrera 582 mm.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir un ejemplo de realización
de un circuito de seguidor solar con cilindros oleohidráulicos,
según una realización preferente.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de
un circuito oleohidráulico que controla un seguidor solar de un
panel fotovoltaico.
En el caso de la realización preferente, se
trata de un seguidor que controla tanto el movimiento cenital como
el acimutal.
Comprende el circuito los conjuntos de cilindro
(8, 9) que mueven el seguidor (en la realización preferente serán
tres), una central oleohidráulica y un sistema de control (5).
Dos de los cilindros (8) que tendrán una mayor
carrera, concretamente 883 mm en el caso de la realización
preferente que se describe, serán los encargados de llevar a cabo el
movimiento acimutal. El tercer cilindro o elevador (9), con una
carrera menor, en la realización preferente de 582 mm, será el
encargado del movimiento cenital o de elevación.
La central oleohidráulica controla la velocidad
de movimiento de los cilindros proporcionándoles a su vez, el
aceite que necesitan para su movimiento. Esta central comprende: un
tanque (1) donde se almacena el aceite de los cilindros (8, 9), con
un tapón de llenado (3) y un filtro de retorno (4) para evitar que
entren impurezas en el tanque (1) cuando el aceite retorna de los
cilindros (8, 9). También cuenta con una motobomba (2) que será la
encargada de enviar el aceite a dichos cilindros (8, 9).
El sistema de control (5) está formado por una
serie de elementos como: limitadores de presión, válvulas
direccionales, acumuladores, presostatos, sensores... y supervisa y
controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege
frente a posibles accidentes.
El funcionamiento del sistema sería el
siguiente:
- \bullet
- La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5).
- \bullet
- La presión del acumulador se transmite a ambas cámaras de los tres cilindros (8, 9), consiguiendo de este modo que las cámaras cuenten con una presurización constante previa al movimiento.
- \bullet
- Cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1). De este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta.
- \bullet
- Una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente (8, 9) con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurización inicial.
\vskip1.000000\baselineskip
Este sistema se diseña especialmente para su
aplicación en seguidores solares, pero no se descarta su extensión a
otros campos de la industria que requieran características
similares.
Claims (10)
1. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
ya sea para movimientos en uno o más ejes y con uno o más cilindros
donde cada uno de los cilindros cuenta con un émbolo que divide su
interior en dos cámaras caracterizado porque las dos cámaras
de cada uno de los cilindros se mantienen en todo momento
presurizadas, incluso cuando el seguidor se encuentra en
reposo.
2. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 1 caracterizado porque comprende un
circuito con al menos un conjunto de cilindro, una central
oleohidráulica y un sistema de control (5).
3. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 2 caracterizado porque la central
oleohidráulica proporciona el aceite a los cilindros controlando la
velocidad de movimiento de estos.
4. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 3 caracterizado porque la central
oleohidráulica comprende un tanque (1), donde se almacena el aceite
de los cilindros (8, 9), con un tapón de llenado (3), un filtro de
retorno (4) y una motobomba (2) que envía el aceite a dichos
cilindros.
5. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 2 caracterizado porque el circuito
comprende tres conjuntos de cilindros.
6. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 5 caracterizado porque dos de los
cilindros (8) tienen una mayor carrera que el tercero (9) y serán
los encargados de llevar a cabo el movimiento acimutal.
7. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 6 caracterizado porque la carrera de
estos dos cilindros es de 883 mm.
8. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 5 caracterizado porque el tercer
cilindro o elevador (9), con una carrera menor, será el encargado
del movimiento de elevación.
9. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos
según reivindicación 8 caracterizado porque la carrera de
este cilindro es de 582 mm.
10. Método de funcionamiento del seguidor solar
con cilindros oleohidráulicos descrito en las reivindicaciones
anteriores que comprende las siguientes etapas:
- \bullet
- La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5),
- \bullet
- la presión del acumulador se transmite a todas las cámaras de todos los cilindros, de manera que dichas cámaras cuentan con una presurización constante previa al movimiento,
- \bullet
- cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1); de este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta,
- \bullet
- una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurización inicial.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2375876 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20121015 |
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GD2A | Contractual licences |
Effective date: 20181116 |