ES2393095B1 - AUTONOMOUS SOLAR CONCENTRATOR WITH ELECTRICAL STORAGE THROUGH A CONDENSER AND ITS OPERATING METHOD. - Google Patents
AUTONOMOUS SOLAR CONCENTRATOR WITH ELECTRICAL STORAGE THROUGH A CONDENSER AND ITS OPERATING METHOD. Download PDFInfo
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Abstract
Concentrador solar autónomo caracterizado por disponer de un almacenamiento de energía eléctrica mediante condensador (4). Este concentrador solar dispone de una superficie espejada (2) que se mueve en uno o varios ejes mediante un accionamiento compuesto por elementos eléctricos (8) que consumen la electricidad aportada por un sistema autónomo de energía compuesto por uno o varios paneles fotovoltaicos (9) que cargan a un condensador (4) el cual realiza la función de almacenamiento eléctrico. Un control local (5) realiza la operación del concentrador solar y la gestión de ahorro de energía mediante la desconexión de los consumos durante la noche y en periodos de baja tensión almacenada. Dicho control local (5) se comunica mediante un radiomodem (11) y recibe la información de un interruptor de viento (10) para proteger al concentrador de la acción de vientos peligrosos.Autonomous solar concentrator characterized by having an electrical energy storage through a condenser (4). This solar concentrator has a mirrored surface (2) that moves on one or more axes by means of a drive made up of electrical elements (8) that consume the electricity provided by an autonomous energy system made up of one or more photovoltaic panels (9) which charge a capacitor (4) which performs the function of electrical storage. A local control (5) performs the operation of the solar concentrator and energy-saving management by disconnecting consumption at night and in periods of stored low voltage. Said local control (5) communicates through a radio modem (11) and receives the information from a wind switch (10) to protect the concentrator from the action of dangerous winds.
Description
- CONCENTRADOR SOLAR AUTÓNOMO CON ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO AUTONOMOUS SOLAR CONCENTRATOR WITH ELECTRICAL STORAGE
- MEDIANTE CONDENSADOR Y SU MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO BY CONDENSER AND ITS METHOD OF OPERATION
- Sector técnico de la invención Technical sector of the invention
- 5 5
- La presente invención se refiere a un novedoso concentrador solar diseñado bajo el The present invention relates to a novel solar concentrator designed under the
- empleo de condensadores de muy alta capacidad eléctrica al objeto de eliminar el use of very high electrical capacity capacitors in order to eliminate the
- tradicional almacenamiento eléctrico mediante cargador y baterías. Esta invención traditional electrical storage using a charger and batteries. This invention
- podrá ser utilizada en las futuras plantas termosolares de concentración que empleen It can be used in future concentrating solar thermal plants that use
- concentradores solares en uno o varios ejes tales como helióstatos, captadores single or multi-axis solar concentrators such as heliostats, collectors
- 1O 1O
- cilíndricoparabólicos o discos. parabolic cylindrical or discs.
- Antecedentes de la invención Background of the Invention
- Desde los primeros años de la década de los 80 han aparecido en el mundo diversas Since the early years of the 1980s, various types of
- iniciativas para el desarrollo de plantas de producción eléctrica empleando tecnologías initiatives for the development of electricity production plants using technologies
- termosolares de concentración, iniciativas cuyo objeto ha sido el demostrar la concentrating solar power plants, initiatives whose purpose has been to demonstrate the
- 15 fifteen
- viabilidad técnica en la producción de electricidad mediante el empleo de technical feasibility in the production of electricity by employing
- concentradores solares tales como helióstatos y captadores cilindroparabólicos solar concentrators such as heliostats and parabolic trough collectors
- (CCPs). (CCPs).
- En la actualidad hay en proyecto y construcción avanzada un gran número de plantas Currently, a large number of plants are in the project and advanced construction
- termosolares en España que emplean concentradores solares y se espera que estas solar thermal plants in Spain that use solar concentrators and it is expected that these
- 20 twenty
- iniciativas signifiquen el repunte y liderazgo de empresas españolas en estas initiatives mean the rebound and leadership of Spanish companies in these
- tecnologías. technologies.
- El mapa de energía termosolar instalada en España se distribuye en la actualidad de The solar thermal energy map installed in Spain is currently distributed in
- la siguiente manera: PS10 (11 MW}, PS 20 (20 MW), ANDASOL 1 (50 MW), as follows: PS10 (11 MW}, PS 20 (20 MW), ANDASOL 1 (50 MW),
- PUERTOLLANO (50 MW}, PUERTO ERRADO (1 ,4 MW), LA RISCA (50 MW), PUERTOLLANO (50 MW}, PUERTO ERRADO (1, 4 MW), LA RISCA (50 MW),
- 25 25
- ANDASOL 2 (50 MW}, SOLNOVA 1 (50 MW), EXTRESOL 1 (50 MW}, SOLNOVA 3 ANDASOL 2 (50 MW}, SOLNOVA 1 (50 MW), EXTRESOL 1 (50 MW}, SOLNOVA 3
- (50 MW) y LA FLORIDA (50 MW). (50 MW) and LA FLORIDA (50 MW).
- La plantas termosolares de concentración PS10 y PS20 de la empresa Abengoa y The concentrating solar power plants PS10 and PS20 from the company Abengoa and
- GemaSolar de la empresa Torresol Energy son actualmente las primeras iniciativas GemaSolar of the company Torresol Energy are currently the first initiatives
- comerciales empleando para ello campos de helióstatos convencionales. commercial using conventional heliostat fields.
- 30 30
- De la experiencia comercial obtenida en estas plantas nacerán otras iniciativas que From the commercial experience obtained in these plants, other initiatives will be born that
- impulsarán, muy posiblemente, un mercado que necesitará de captadores, discos o will very possibly promote a market that will need sensors, discs or
- helióstatos cada vez más fiables y de menor costo. Increasingly reliable and lower cost heliostats.
- Con este panorama es de esperar que en un plazo breve de tiempo, esta tecnología With this panorama it is to be expected that in a short period of time, this technology
- demande concentradores solares autónomos y en especial helióstatos autónomos demand autonomous solar concentrators and especially autonomous heliostats
- 35 35
- debido a las mayores posibilidades que tienen éstos concentradores de reducir de due to the greater possibilities that these concentrators have to reduce
- forma sensible los costes de instalación de los campos solares de las futuras plantas sensitively the costs of installing the solar fields of future plants
- termosolares. Es por ello que en adelante nos referiremos a este tipo de solar thermal. That is why in the future we will refer to this type of
- concentradores sin limitar su empleo a otros tipos tales como captadores concentrators without limiting their use to other types such as sensors
- cilindricoparabólicos o discos. parabolic cylindrical or discs.
- 5 5
- El helióstato autónomo es un tipo de concentrador solar que ha sido patentado por Autonomous heliostat is a type of solar concentrator that has been patented by
- CIEMAT en el año 1999 (ES 215503181) y, hasta ahora, ha empleado un CIEMAT in 1999 (ES 215503181) and, until now, has used a
- almacenamiento eléctrico compuesto por cargador y baterías. electrical storage consisting of charger and batteries.
- El referente más claro del uso de helióstatos autónomos se encuentra en el actual The clearest referent for the use of autonomous heliostats is in the current
- campo de helióstatos PCHA localizado en la Plataforma Solar de Almería. Estos PCHA heliostat field located in the Almería Solar Platform. These
- 1 O 1 O
- helióstatos, en funcionamiento desde el año 2004, constituyen el primer campo de Heliostats, in operation since 2004, constitute the first field of
- helióstatos autónomos conocido y todos ellos emplean un almacenamiento eléctrico Known autonomous heliostats and they all employ electrical storage
- compuesto por un cargador y una batería. Composed of a charger and a battery.
- Estos helióstatos autónomos son concentradores solares dispuestos en áreas These autonomous heliostats are solar concentrators arranged in areas
- despejadas al aire libre con alta radiación solar y temperaturas extremas en verano e cleared in the open air with high solar radiation and extreme temperatures in summer and
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- invierno, lo que dificulta el funcionamiento óptimo de la batería, acorta de manera winter, which hinders optimal battery operation, shortens
- significativa su vida media, y aumentan así los costes de mantenimiento de este tipo their half-life is significant, thus increasing maintenance costs of this type
- de helióstatos. heliostats.
- La batería eléctrica además es un elemento que tiene un alto coste medioambiental y The electric battery is also an element that has a high environmental cost and
- requiere de una labor adicional de recogida y reciclado. requires additional collection and recycling.
- 20 twenty
- Por estos motivos y, en un intento de solucionar estos problemas, el concentrador For these reasons and in an attempt to solve these problems, the hub
- solar autónomo de la invención emplea un nuevo sistema de almacenamiento autonomous solar of the invention employs a new storage system
- eléctrico, que sustituye al sistema tradicional compuesto por cargador y batería. electric, which replaces the traditional system consisting of charger and battery.
- Descripción de la invención: Description of the invention:
- El principal objetivo de la invención es la incorporación de un nuevo sistema de The main objective of the invention is the incorporation of a new system of
- 25 25
- almacenamiento eléctrico que sustituye a la tradicional batería y cargador eléctrico en Electric storage that replaces the traditional battery and electric charger in
- concentradores solares. solar concentrators.
- Este nuevo sistema de almacenamiento eléctrico se basa en el uso de ultraThis new electrical storage system is based on the use of ultra
- condensadores capacitors
- Mediante el empleo de ultra-condensadores (término inglés ultracapacitors) se puede By using ultra-capacitors (English term ultracapacitors) you can
- 30 30
- conseguir: get:
- • La eliminación de la batería y de sus problemas asociados como: • The elimination of the battery and its associated problems such as:
- o Ser poco respetuosa con el medio ambiente con alto coste de reciclado. o Being little respectful with the environment with high cost of recycling.
- o Las condiciones de trabajo extremas en campos de helióstatos (alta o Extreme working conditions in heliostat fields (high
- temperatura, humedad, ... ) acortan la vida de las baterías temperature, humidity, ...) shorten the life of the batteries
incrementando los costes de mantenimiento de la planta. Ello se increasing the maintenance costs of the plant. Them and
- traduce en una disminución de los ahorros conseguidos mediante la translates into a decrease in savings achieved through
- aplicación del concepto quot;helióstato autónomoquot;, descrito en patente application of the concept "autonomous heliostat" described in patent
- P9901275. P9901275.
- • La eliminación del regulador de carga • Elimination of charge regulator
- 5 5
- Una de las características importantes de un concentrador autónomo es el bajo One of the important features of a standalone hub is the bass
- consumo de energía que requiere para su funcionamiento, y al hecho de que este energy consumption required for its operation, and the fact that this
- consumo se produce en coincidencia con la producción eléctrica realizada por un consumption occurs in coincidence with the electrical production performed by a
- panel fotovoltaico. Ello permite minimizar las necesidades de energía acumulada y photovoltaic panel. This allows the accumulated energy needs to be minimized and
- posibilita el empleo de otros dispositivos, diferentes a los tradicionalmente empleados, enables the use of other devices, different from those traditionally used,
- 1 O 1 O
- tales como condensadores eléctricos. such as electric capacitors.
- El concentrador autónomo de la invención, alimentado mediante un sistema de The autonomous concentrator of the invention, powered by a
- alimentación autónoma compuesto por un panel fotovoltaico y un condensador autonomous power consisting of a photovoltaic panel and a capacitor
- posibilita la eliminación del regulador de carga y de la batería consiguiéndose una enables the elimination of the charge regulator and the battery achieving a
- coincidencia entre la producción del panel y el consumo del concentrador, además de coincidence between panel production and concentrator consumption, in addition to
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- no generar gases, ser más inmune a las condiciones climáticas adversas y de not generate gases, be more immune to adverse weather conditions and
- garantizar una vida muy superior a una batería. Aunque es una solución mejor, sigue guarantee a much longer life than a battery. Although it is a better solution, continue
- teniendo algunos inconvenientes y ventajas: having some drawbacks and advantages:
- • Son muy costosos (3 a 6 veces el precio de la batería) aunque se aprecia una • They are very expensive (3 to 6 times the price of the battery) although an
- tendencia del precio a la baja a un ritmo de un 20% anual y es de esperar, de downward price trend at a rate of 20% per year and is to be expected from
- 20 twenty
- acuerdo con la demanda cada vez mayor de estos elementos en el mercado, que a According to the increasing demand of these elements in the market, which
- medio plazo consigan equipararse en precio a las baterías. in the medium term, they can be compared in price to the batteries.
- • Menor almacenamiento de energía (1 0-20 veces menor que la batería) por lo que • Less energy storage (1 0-20 times less than the battery) so
- es necesario suplir este déficit aumentando la potencia del panel fotovoltaico y it is necessary to supply this deficit by increasing the power of the photovoltaic panel and
- disminuir el consumo del concentrador mediante controles locales de seguimiento decrease the consumption of the hub through local monitoring controls
- 25 25
- solar más eficientes. También es necesario para ello establecer procedimientos de more efficient solar. It is also necessary for this to establish procedures for
- ahorro, de seguridad y de emergencia así como estrategias operativas y savings, security and emergency as well as operational strategies and
- funcionales específicas. specific functional.
- • El volumen ocupado es mayor que las baterías para la misma capacidad de • The occupied volume is greater than the batteries for the same capacity of
- almacenamiento. storage.
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- El empleo únicamente de condensadores es posible por los siguientes motivos: The use of only capacitors is possible for the following reasons:
- 1) Por la simultaneidad existente entre producción y consumo de energía. En 1) Due to the simultaneity between energy production and consumption. In
- condiciones de radiación solar favorables, el panel es capaz de aportar en sólo unas favorable solar radiation conditions, the panel is capable of providing in just a few
- pocas horas (2-3) la energía diaria que necesita el concentrador. Por lo que few hours (2-3) the daily energy required by the concentrator. So that
- excepcionalmente, y en días muy nublados, el concentrador puede quedar sin exceptionally, and on very cloudy days, the hub may run out
- 35 35
- suministro. Esta circunstancia puede casi evitarse mediante estrategias operativas y supply. This circumstance can almost be avoided through operational strategies and
- funcionales. functional.
- 2) En condiciones normales, el condensador aportará energía durante los procesos de 2) Under normal conditions, the capacitor will provide energy during the
- subida y bajada del concentrador a primera y última hora del día así como aportará la raising and lowering the concentrator at the first and last hour of the day, as well as
- energía necesaria para, en cualquier situación, llevar a posición segura al energy required to safely bring the
- 5 5
- concentrador debido a baja radiación o a alta velocidad de viento. concentrator due to low radiation or high wind speed.
- 3) En condiciones normales de seguimiento solar el condensador estará totalmente 3) Under normal solar tracking conditions the condenser will be fully
- cargado amortiguando únicamente los cambios de producción del panel fotovoltaico charged only buffering production changes of the photovoltaic panel
- debido a las fluctuaciones en la radiación ocasionadas por el paso de nubes. due to fluctuations in radiation caused by the passage of clouds.
- 4) En condiciones de cielo nublado, la radiación difusa captada por el panel 4) In cloudy sky conditions, the diffuse radiation captured by the panel
- 1 O 1 O
- fotovoltaico puede llegar a cargar el condensador e incluso garantizar los consumos photovoltaic can charge the capacitor and even guarantee consumption
- mínimos necesarios del concentrador para mantenerse operativo y comunicado con la minimum necessary of the hub to stay operational and communicated with the
- sala de control (sin movimiento de ejes). control room (no axis movement).
- 5) Aunque son más caros que las baterías, tienen una vida mucho mayor (al menos 5 5) Although they are more expensive than batteries, they have a much longer life (at least 5
- veces) times)
- 15 fifteen
- 6) Durante periodos inoperativos debidos a trabajos de mantenimiento, baja radiación 6) During inoperative periods due to maintenance work, low radiation
- (días nublados) o durante la noche, el concentrador quedará automáticamente (cloudy days) or at night, the hub will automatically stay
- desconectado del condensador al objeto reducir los consumos innecesarios. El control disconnected from the condenser to the object to reduce unnecessary consumption. The control
- local del concentrador autónomo estará especialmente diseñado para la gestión de The local autonomous hub will be specially designed for the management of
- estos consumos y para la conexión/desconexión de los mismos mediante sensor de these consumptions and for the connection / disconnection of the same by means of a
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- luz (el propio panel fotovoltaico y otros), el conocimiento de la tensión en el light (the photovoltaic panel itself and others), the knowledge of the voltage in the
- condensador y relojes horarios. condenser and time clocks.
- En días de malas condiciones de radiación solar el condensador se recupera On days of bad solar radiation conditions the condenser recovers
- rápidamente ante la presencia de claros y, a no ser que las condiciones de luz sean quickly in the presence of gaps and, unless light conditions are
- muy pésimas y se alarguen en el tiempo, el condensador se mantiene normalmente very lousy and elongate over time, the capacitor is normally maintained
- 25 25
- con una carga superior al 90% y el panel fotovoltaico es capaz, en la mayoría de los with a load greater than 90% and the photovoltaic panel is capable, in most
- casos, de mantener los pequeños consumos de la electrónica así como los bajos cases, to keep the small consumption of electronics as well as low
- consumos que suponen realizar las tareas de seguimiento solar (motores funcionando Consumptions of performing solar monitoring tasks (motors running
- de manera pulsante). pulsing).
- Únicamente se produce una descarga significativa del condensador durante la subida Only significant condenser discharge occurs during rise
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- o bajada del concentrador a primera o última hora del día cuando los motores de or lowering the hub early or late in the day when the
- movimiento del concentrador se mantienen en funcionamiento de forma continua hub movement are kept running continuously
- durante un determinado tiempo. during a certain time.
- El condensador ha de ser dimensionado teniendo en cuenta esta fase de consumo del The condenser must be dimensioned taking into account this phase of consumption of the
- concentrador asumiéndose como un buen valor de energía almacenada en el concentrator assuming as a good value of energy stored in the
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- condensador, la necesaria para bajar al menos dos veces al concentrador a última condenser, the one necessary to lower the concentrator at least twice to the last
hora del día desde la posición de seguimiento solar hasta la posición de abatimiento o descanso. El dimensionado del condensador puede minimizarse si se aceptan las siguientes premisas: time of day from the solar tracking position to the down position or rest. Capacitor sizing can be minimized by accepting the following premises:
5 • El concentrador se levanta un determinado tiempo después del orto cuando la radiación solar supera los 300W/m2 y/o se abate un tiempo determinado antes del ocaso cuando la radiación solar baja de los 300W/m2. Estas condiciones de radiación suelen ser insuficientes para el mantenimiento de las condiciones térmicas de los receptores solares habituales. En cualquier caso este umbral de 5 • The concentrator is raised a certain time after sunrise when the solar radiation exceeds 300W / m2 and / or it is lowered a certain time before sunset when the solar radiation falls below 300W / m2. These radiation conditions are usually insufficient for maintaining the thermal conditions of the usual solar receivers. In any case, this threshold of
1 O radiación solar dependerá de las condiciones térmicas del receptor solar. 1 Or solar radiation will depend on the thermal conditions of the solar receiver.
• Se extreman las condiciones máximas de velocidad de viento y se actúa en solo el eje de elevación para disponer la superficie espejada en posición segura, por el camino más corto y en el menor tiempo posible. • Maximum wind speed conditions are extreme and only the elevation axis is acted to arrange the mirrored surface in a safe position, by the shortest route and in the shortest possible time.
• Los consumos son desconectados por la noche o en periodos de muy baja 15 radiación solar (días muy nubosos). Un sistema de control horario y/o vigilancia de • Consumptions are switched off at night or in periods of very low solar radiation (very cloudy days). A system of time control and / or surveillance of
luz permitirá la conexión/desconexión de los consumos del concentrador. Una de las características de estos elementos es la baja auto descarga del condensador lo que asegura que, una vez desconectados los consumos durante el periodo nocturno, la energía almacenada en las últimas horas del día anterior, está en Light will allow the connection / disconnection of the consumptions of the hub. One of the characteristics of these elements is the low self-discharge of the condenser, which ensures that, once the consumption is disconnected during the night period, the energy stored in the last hours of the previous day is in
20 gran medida disponible para comenzar con la operación a primera hora del día. Con estas bases de partida se ha realizado una aplicación preferente y se han establecido estrategias operativas y funcionales propias. 20 large measure available to start operation first thing in the day. With these starting bases, a preferential application has been made and own operational and functional strategies have been established.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Para complementar la descripción realizada, y con objeto de ayudar a una mejor To complement the description made, and in order to help better
25 comprensión de las características de la invención, se va a efectuar una descripción detallada de una realización preferente, en base a un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y en donde, con carácter meramente ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1 muestra una vista de un helióstato autónomo con almacenamiento eléctrico In order to understand the characteristics of the invention, a detailed description of a preferred embodiment will be made, based on a set of drawings that accompany this specification and where, for merely illustrative and non-limiting purposes, it has been represented the following: Figure 1 shows a view of a self-contained heliostat with electrical storage
30 mediante condensador La figura 2 muestra un diagrama de bloques del control local del helióstato autónomo así concebido. La figura 3 muestra un diagrama de bloques del dispositivo de vigilancia. En las figuras descritas las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes 30 by means of a condenser Figure 2 shows a block diagram of the local control of the autonomous heliostat thus conceived. Figure 3 shows a block diagram of the monitoring device. In the figures described the numerical references correspond to the following parts
35 y elementos: 35 and elements:
- 1. one.
- Pedestal hueco Hollow pedestal
- 2. 2.
- Superficie espejada del helióstato autónomo Mirrored surface of autonomous heliostat
- 3. 3.
- Ventana en pedestal Pedestal window
- 4. Four.
- Condensador eléctrico Electric capacitor
- 5. 5.
- Control local Local control
- 6. 6.
- Cabezal, o mecanismo reductor Head, or reducing mechanism
- 7. 7.
- Lector angular y finales de carrera del eje de elevación (EL) 7' Lector angular y finales de carrera del eje de azimut (AZ) Angular reader and lift axis limit switches (EL) 7 'Angular reader and azimuth axis limit switches (AZ)
- 8. 8.
- Accionamientos o motores eléctricos Electric drives or motors
- 9. 9.
- Panel fotovoltaico 1O. Interruptor de viento 1O photovoltaic panel. Wind breaker
- 11. eleven.
- Radio-modem Radio-modem
- 12. 12.
- Diodo antirretorno Non-return diode
- 13. 13.
- Placa de control Control board
- 14. 14.
- Tarjetas de control de motores Motor control cards
- 15. fifteen.
- Reloj en tiempo real con batería Real-time clock with battery
- 16. 16.
- Dispositivo de vigilancia Monitoring device
- 17. 17.
- Interruptor eléctrico o electrónico Electric or electronic switch
- 18. 18.
- Convertidor ce/ce Ce / ce converter
- 19. 19.
- Consola de campo Field console
- 20. twenty.
- Mando Local Local command
- 21. twenty-one.
- Puertos de entrada Ports of entry
- 22. 22.
- Microcontrolador Microcontroller
- 23. 2. 3.
- RAM de la placa de control 13 RAM on the control board 13
- 24. 24.
- ROM de la placa de control 13 ROM of control board 13
- 25. 25.
- Puertos de salida Departure ports
Descripción de una aplicación preferente Description of a preferred application
Para la mejor comprensión de la invención se va a describir, de forma detallada y en base a los dibujos, una realización preferente del concentrador solar autónomo con almacenamiento eléctrico mediante condensador, en la que se ha elegido como concentrador tipo un helióstato Como muestra la figura 1, el helióstato autónomo con almacenamiento eléctrico mediante condensador consta de una estructura móvil en dos ejes compuesta por un pedestal hueco (1 ), un cabezal o mecanismo reductor (6), un tubo torsor y celosías que fijan y soportan a la estructura a una superficie espejada (2) de 40 metros For a better understanding of the invention, a preferred embodiment of the autonomous solar concentrator with electrical storage by means of a condenser, in which a heliostat has been chosen as the type concentrator, will be described in detail and based on the drawings. 1, the autonomous heliostat with electrical storage by means of a condenser consists of a mobile structure in two axes composed of a hollow pedestal (1), a head or reducing mechanism (6), a torsion tube and lattices that fix and support the structure to one mirror surface (2) of 40 meters
- cuadrados que se mueve siguiendo al sol. squares that moves following the sun.
- La superficie espejada (2) está formada por dos pétalos con una apertura central que The mirrored surface (2) is made up of two petals with a central opening that
- dota al helióstato de una mayor movilidad en el eje de elevación permitiendo un ángulo gives the heliostat greater mobility on the lifting axis allowing an angle
- de movimiento en este eje superior a 180°. of movement on this axis greater than 180 °.
- 5 5
- En el cabezal (6) están dispuestos lectores de la posición angular en ambos ejes así In the head (6), angular position readers are arranged on both axes as well
- como finales de carrera (7 y 7') que limitan el ángulo de movimiento de los mismos y as limit switches (7 and 7 ') that limit their angle of movement and
- dos motores (8}, que accionan al cabezal (6). Sobre los motores (8), y solidario al two motors (8}, which drive the head (6). On the motors (8), and solidary to the
- cabezal (6), se dispone un panel fotovoltaico (9) y sobre ella se fija un interruptor de head (6), a photovoltaic panel (9) is arranged and a
- viento (1 O) y un radio modem (11 ). wind (1 O) and a radio modem (11).
- 1 O 1 O
- Esta disposición permite un movimiento en el eje azimutal del panel fotovoltaico (9) This arrangement allows movement on the azimuth axis of the photovoltaic panel (9)
- quedando ésta instalada con una inclinación fija de aproximadamente 40°. this being installed with a fixed inclination of approximately 40 °.
- El pedestal (1) tiene practicada una ventana (3) para permitir el montaje de los The pedestal (1) has a window (3) made to allow the mounting of the
- condenadores (4) y del armario de control local (5) en el interior del mismo. La condemners (4) and the local control cabinet (5) inside it. The
- ventana dispone de una tapa fijada por dos palometas. window has a lid fixed by two handles.
- 15 fifteen
- Los motores de corriente continua (8) de 12Vcc y 70 vatios de potencia accionan el The DC motors (8) of 12Vdc and 70 watts of power drive the
- mecanismo mediante un sistema autónomo de energía compuesto por un panel mechanism by an autonomous power system consisting of a panel
- fotovoltaico (9) de 12Vcc y 55Wp y el condensador (4) de 325F. photovoltaic (9) of 12Vdc and 55Wp and the capacitor (4) of 325F.
- Esta disposición del control local (5) y de los condensadores (4) aporta una ventilación This arrangement of the local control (5) and the capacitors (4) provides ventilation
- y refrigeración natural así como una protección adicional de la electrónica y de los and natural cooling as well as additional protection for electronics and
- 20 twenty
- elementos eléctricos. Ello es debido a la corriente de aire ascendente que se origina electrical elements. This is due to the upward air flow that originates
- en el interior del pedestal (1) ya que éste está abierto en su parte inferior y superior. inside the pedestal (1) since it is open at its bottom and top.
- Ello es un factor importante a tener en cuenta en instalaciones dispuestas en zonas This is an important factor to consider in facilities located in areas
- áridas semidesérticas en donde las condiciones climáticas son muy adversas. arid semi-desert where the climatic conditions are very adverse.
- El control local (5) del helióstato autónomo con alimentación mediante condensadores Local control (5) of the autonomous heliostat powered by capacitors
- 25 25
- (4) es un dispositivo electrónico que controla el funcionamiento del helióstato y (4) is an electronic device that controls the operation of the heliostat and
- gestiona sus condiciones energéticas velando por la seguridad e integridad del equipo. manages its energy conditions, ensuring the safety and integrity of the equipment.
- Este control local (5) dispondrá de estrategias específicas operativas y funcionales This local control (5) will have specific operational and functional strategies
- para garantizar el funcionamiento y la seguridad evitando situaciones de falta de to guarantee operation and safety avoiding situations of lack of
- energía ante condiciones adversas de luz y viento. energy in adverse light and wind conditions.
- 30 30
- Para garantizar esto, el condensador (4) mantendrá un nivel de carga que garantice To guarantee this, the condenser (4) will maintain a charge level that guarantees
- en todo momento el plegado de la superficie espejada (2) ante condiciones adversas at all times the folding of the mirrored surface (2) under adverse conditions
- de luz y viento. light and wind.
- Al objeto de optimizar y dimensionar correctamente el sistema de alimentación del In order to optimize and correctly size the power supply system of the
- helióstato, se ha realizado una aplicación preferente, no limitativa, en la que se ha heliostat, a preferential, non-limiting application has been made, in which
- 35 35
- equipado a un helióstato existente en la Plataforma Solar de Almería, de sensores equipped with an existing heliostat on the Almería Solar Platform, with sensors
suficientes para la medida de los consumos reales en diferentes condiciones operativas. Igualmente se ha dotado a este helióstato de un condensador (4) al objeto de estudiar su comportamiento en ciclos reales de trabajo. El condensador (4) del helióstato se ha realizado disponiendo ocho condensadores de 2,7V y 2600F cada uno. El condensador (4) así formado tiene una tensión máxima de 21,6 V con una capacidad total de 325 faradios. Los ocho condensadores se han conectado en serie mediante unas placas compensadoras y todo el conjunto se ha montado sobre un soporte de poli-estireno dispuesto dentro de una canastilla, en el interior del pedestal (1) del helióstato. El condensador (4) así formado ha reemplazado a los elementos tradicionales de alimentación fotovoltaica como regulador de carga y batería eléctrica. Este condensador (4) se instala en paralelo con el panel fotovoltaico (9) y un diodo sufficient for the measurement of actual consumption under different operating conditions. Likewise, this heliostat has been equipped with a capacitor (4) in order to study its behavior in real work cycles. The condenser (4) of the heliostat has been made by arranging eight 2.7V and 2600F capacitors each. The capacitor (4) thus formed has a maximum voltage of 21.6 V with a total capacity of 325 farad. The eight capacitors have been connected in series by means of compensating plates and the whole assembly has been mounted on a polystyrene support arranged inside a basket, inside the pedestal (1) of the heliostat. The condenser (4) thus formed has replaced traditional photovoltaic power elements such as charge regulator and electric battery. This capacitor (4) is installed in parallel with the photovoltaic panel (9) and a diode
(12) evitará la descarga del mismo por la noche. La carga se conecta también en paralelo con el condensador (4) mediante un interruptor eléctrico o electrónico (17) que permite la conexión/desconexión de los consumos eléctricos del helióstato y del control local (5) del helióstato. El control local (5) del helióstato, gestionado mediante microcontrolador (22),decidirá la desconexión de los consumos eléctricos ayudado por un dispositivo de vigilancia (16). El dispositivo de vigilancia (16) ha sido diseñado expresamente para esta aplicación preferente. De muy bajo consumo, alimentado directamente desde el panel fotovoltaico (9), desde el condensador (4) o mediante una pequeña pila o batería independiente, será el responsable de la gestión del ahorro energético informando al control local (5) de las condiciones de carga del condensador (4). Un pequeño relé, conectado en paralelo con el panel fotovoltaico, detecta que las condiciones de luz son suficientes a primera hora del día y la tensión generada por el panel fotovoltaico es suficiente para activarlo. Este relé será también responsable de la desconexión de la carga por la noche. El control local (5) decidirá la desconexión total de los consumos cuando: (12) will avoid downloading it at night. The load is also connected in parallel with the capacitor (4) by means of an electrical or electronic switch (17) that allows the connection / disconnection of the electrical consumption of the heliostat and the local control (5) of the heliostat. The local control (5) of the heliostat, managed by microcontroller (22), will decide the disconnection of the electrical consumptions aided by a monitoring device (16). The monitoring device 16 has been expressly designed for this preferred application. Very low consumption, powered directly from the photovoltaic panel (9), from the capacitor (4) or by means of a small cell or independent battery, it will be responsible for managing energy savings by informing the local control (5) of the conditions of capacitor charge (4). A small relay, connected in parallel with the photovoltaic panel, detects that the light conditions are sufficient first thing in the day and the voltage generated by the photovoltaic panel is sufficient to activate it. This relay will also be responsible for disconnecting the load at night. The local control (5) will decide the total disconnection of consumption when:
- • •
- El dispositivo de vigilancia (16) detecte una baja tensión en el panel (9) o en el condensador (4) y el helióstato esté en posición de plegado o abatimiento o por orden de fin de operación The monitoring device (16) detects a low voltage in the panel (9) or in the capacitor (4) and the heliostat is in the folding or folding position or in order of end of operation
- • •
- Horario nocturno o ausencia de luz detectada por el panel fotovoltaico (9). La conexión automática de los consumos se realiza en condiciones de: -control horario. Presencia de luz. -tensión operativa del condensador (4). Night time or absence of light detected by the photovoltaic panel (9). The automatic connection of consumptions is made under conditions of: -time control. Presence of light. -operating voltage of the capacitor (4).
El control horario es realizado por un reloj (15) en tiempo real mantenido con una pequeña pila o batería propia dispuesto en la placa de control local (13) del helióstato y será el que, junto con el dispositivo de vigilancia (16), accione el interruptor eléctrico The time control is carried out by a real-time clock (15) maintained with a small battery or its own battery arranged in the local control plate (13) of the heliostat and will be the one that, together with the monitoring device (16), actuates the electrical switch
o electrónico (17) para conectar la carga alimentando eléctricamente al control local (5) or electronic (17) to connect the load electrically feeding the local control (5)
5 a primera hora del día cuando el condensador (4) tenga las condiciones de carga idóneas para garantizar el funcionamiento del helióstato. Para que el biestable (SR, en la figura 3) del circuito de vigilancia (16) bascule y active el interruptor (17) será necesario que se den las dos condiciones: que haya presencia de luz mediante la activación del relé del circuito de vigilancia (16) y que el reloj (15) despierte a la hora 5 first thing in the day when the condenser (4) has the ideal charging conditions to guarantee the operation of the heliostat. In order for the flip-flop (SR, in figure 3) of the surveillance circuit (16) to tilt and activate the switch (17), it will be necessary for both conditions to be met: that there be light by activating the monitoring circuit relay (16) and the clock (15) wakes up on time
1 O establecida antes de la desconexión. Una vez activado el interruptor (17) un convertidor de corriente continua a corriente continua CC/CC (18) generará la tensión Vcc de 5V para la alimentación de los componentes del control local (5). El resto de los componentes tales como los controles de motores (14), la consola de campo (19) y el radiomodem (11) serán 1 Or set before disconnection. Once the switch (17) is activated, a direct current to DC / DC converter (18) will generate the 5V Vcc voltage to supply the local control components (5). The rest of the components such as the engine controls (14), the field console (19) and the radio modem (11) will be
15 alimentados a la tensión del condensador Ve. Además de incluir el reloj (15), la placa de control local (13) incorpora un microcontrolador (22) encargado de gestionar el funcionamiento del helióstato. El microcontrolador (22) está comunicado con el exterior mediante puertos de entrada 15 fed to the voltage of the capacitor Ve. In addition to including the clock (15), the local control board (13) incorporates a microcontroller (22) in charge of managing the operation of the heliostat. The microcontroller (22) is communicated with the outside through input ports
(21) y puertos de salida (25) y emplea memorias del tipo RAM (23) y ROM (24) para (21) and output ports (25) and uses RAM (23) and ROM (24) type memories to
20 sus cometidos. Así mismo dispone de un mando local (20) para permitir el movimiento de los motores (8) del helióstato mediante la actuación local de unos interruptores localizados en el exterior del cuadro de control local (5). El microcontrolador (22) realizará las funciones de: 20 their tasks. It also has a local control (20) to allow the movement of the motors (8) of the heliostat by means of the local action of switches located outside the local control panel (5). The microcontroller (22) will perform the functions of:
• Cálculo del vector solar corregido 25 • Lectura de la posición angular y posicionado preciso de ejes • Calculation of the corrected solar vector 25 • Reading of the angular position and precise positioning of axes
- • •
- Tareas de seguimiento solar Solar tracking tasks
- • •
- Estrategias operativas y de ahorro de energía Operational and energy saving strategies
- • •
- Gestión de las comunicaciones Communications management
- • •
- Autodiagnóstico y autoprotección Self-diagnosis and self-protection
30 Atendiendo a estrategias para la gestión y el ahorro de energía, en condiciones normales, el helióstato desconecta los consumos nocturnos y el condensador (4) tendrá suficiente carga durante la salida del sol para comenzar la operación rutinaria. Durante la subida del helióstato a primera hora del día y durante la bajada del mismo en el ocaso, el helióstato consume gran parte de la energía diaria. Además, durante 30 In accordance with strategies for energy management and saving, under normal conditions, the heliostat disconnects the nightly consumptions and the condenser (4) will have enough charge during sunrise to start routine operation. During the rise of the heliostat early in the day and during the descent of the heliostat at sunset, the heliostat consumes much of the daily energy. Also, during
35 estos periodos de tiempo, la radiación solar es baja por lo que el aporte del panel 35 these periods of time, solar radiation is low, so the contribution of the panel
- fotovoltaico (9) es mínimo y es necesario recurrir a la energía acumulada en el photovoltaic (9) is minimal and it is necessary to resort to the energy accumulated in the
- condensador (4). condenser (4).
- Es por ello que el condensador (4) ha de ser dimensionado para garantizar el That is why the condenser (4) must be dimensioned to guarantee the
- suministro de energía en estos periodos. power supply in these periods.
- 5 5
- Durante el resto del tiempo el helióstato estará realizando seguimiento solar y los During the rest of the time the heliostat will be monitoring the sun and the
- consumos serán muy pequeños ya que los motores (8) trabajan de manera pulsante. Consumption will be very small since the motors (8) work in a pulsating way.
- En estas condiciones el panel fotovoltaico (9) cargará rápidamente al condensador (4) In these conditions the photovoltaic panel (9) will quickly charge the capacitor (4)
- incluso ante condiciones de luz adversas como son el paso de nubes o fuertes even in adverse light conditions such as the passage of clouds or strong
- neblinas. mist.
- 1 O 1 O
- Durante la operación del helióstato y en condiciones óptimas de luz, lo usual es que el During heliostat operation and under optimal light conditions, it is usual for the
- condensador (4) esté siempre cargado ya que el panel fotovoltaico (9) esta capacitor (4) is always charged since the photovoltaic panel (9) is
- dimensionado para aportar energía suficiente para hacerse cargo de los consumos del dimensioned to provide enough energy to take over the consumption of the
- helióstato en operación de seguimiento solar. heliostat in solar tracking operation.
- Este almacenamiento de energía garantiza el abatimiento del helióstato en cualquier This energy storage guarantees the reduction of the heliostat in any
- 15 fifteen
- momento y ante cualquier circunstancia así como posibilita asumir los consumos de la moment and in any circumstance as well as makes it possible to assume the consumption of the
- placa de control (13) gestionada por microcontrolador (22) y del radio-modem (11) control board (13) managed by microcontroller (22) and radio-modem (11)
- para mantener los equipos operativos y en servicio a la espera que las condiciones to keep equipment operational and in service while waiting for conditions
- operativas y de luz se restablezcan. operational and light are restored.
- El helióstato está equipado con un interruptor de viento (1 O) que informa al control The heliostat is equipped with a wind switch (1 O) that informs the control
- 20 twenty
- local (5) cuando las condiciones de velocidad y dirección de viento son peligrosas para local (5) when wind speed and direction conditions are dangerous for
- el helióstato. Ante la detección de una emergencia, el control local del helióstato the heliostat. Upon detection of an emergency, local control of the heliostat
- decidirá maniobrar el eje de elevación para conseguir, por el camino más corto will decide to maneuver the lift shaft to get, by the shortest path
- posible, posicionar a la superficie espejada (2) en la posición segura más idónea que possible to position the mirrored surface (2) in the most suitable safe position
- garantice su integridad. guarantee its integrity.
- 25 25
- Estas conclusiones han sido obtenidas de datos reales de funcionamiento recabados These conclusions have been obtained from actual operating data collected
- de esta aplicación preferente. of this preferred application.
- De los ensayos y pruebas realizadas en esta aplicación preferente se desprenden The tests and trials carried out in this preferred application show
- varias estrategias funcionales y operativas al objeto del ahorro y de una gestión más various functional and operational strategies in order to save and manage more
- eficiente de la energía acumulada en el condensador. Estas son: efficient energy accumulated in the capacitor. These are:
- 30 30
- 1.-Por la noche el helióstato está en posición de abatimiento con el panel fotovoltaico 1.-At night the heliostat is in the down position with the photovoltaic panel
- mirando al sur, y los consumos eléctricos están desconectados del condensador ya facing south, and the electrical consumptions are disconnected from the capacitor already
- que el interruptor (17) esta abierto. Un diodo impide la descarga del condensador a that the switch (17) is open. A diode prevents discharge of the capacitor to
- través del panel fotovoltaico por la noche lo que permite que el condensador conserve, through the photovoltaic panel at night allowing the capacitor to conserve,
- durante el periodo nocturno, la energía que sobró del día anterior. during the night period, the energy left over from the previous day.
- 35 35
- 2.-Con los primeros rayos de luz, incluso antes del amanecer, el relé del circuito de 2.-With the first rays of light, even before dawn, the relay of the circuit
- vigilancia (16) se ha activado ya que la tensión generada por el panel fotovoltaico, en surveillance (16) has been activated since the voltage generated by the photovoltaic panel, in
- circuito abierto debido a la desconexión de la carga, sube rápidamente hasta alcanzar open circuit due to load disconnection, quickly rises to reach
- el umbral de activación del relé. Una de las entradas de la puerta lógica (ANO, en the relay activation threshold. One of the logic gate inputs (ANO, in
- figura 3) del circuito de vigilancia (16) queda por tanto activada y la otra entrada figure 3) of the monitoring circuit (16) is therefore activated and the other input
- 5 5
- queda a la espera del despertar horario establecido en el reloj (15) de la placa de awaits the awakening time set on the clock (15) on the
- control (13). Este reloj (15) fue programado por el microcontrolador (22) previamente control (13). This clock (15) was programmed by the microcontroller (22) previously
- antes de la desconexión del día anterior. En esta primera fase del amanecer, la before the disconnection of the previous day. In this first phase of dawn, the
- radiación solar será baja pero suficiente para comenzar con una carga lenta del solar radiation will be low but enough to start with a slow charge of the
- condensador (momento que se produce cuando la tensión del panel fotovoltaico es capacitor (moment that occurs when the voltage of the photovoltaic panel is
- 1O 1O
- aproximadamente 0,3V superior a la que tuviera del condensador) approximately 0.3V higher than that of the capacitor)
- 3A la hora establecida en el reloj, se producirá un basculamiento del biestable (SR, 3At the time set on the clock, a flip flop (SR,
- en la figura 3) del circuito de vigilancia (16) y se accionará el interruptor (17) y el in figure 3) of the monitoring circuit (16) and the switch (17) and the
- control local (5) del helióstato se conectará al condensador (4) quedando alimentado local control (5) of the heliostat will be connected to the condenser (4) being powered
- eléctricamente. electrically.
- 15 fifteen
- 4.El control local (5) decidirá, dependiendo de las condiciones de carga del 4.The local control (5) will decide, depending on the loading conditions of the
- condensador (4), enviar al helióstato hacia el Este para realizar seguimiento solar sólo capacitor (4), send heliostat east for solar tracking only
- en el eje azimutal para conseguir una mayor captación de energía fotovoltaica y una on the azimuth axis to achieve greater collection of photovoltaic energy and
- carga más enérgica y rápida del condensador en los primeros minutos del día antes de more energetic and faster charging of the condenser in the first minutes of the day before
- comenzar con la operación rutinaria. start with routine operation.
- 20 twenty
- 5.-Desde el control central, y con objeto de conseguir una mayor acumulación de 5.-From the central control, and in order to achieve a greater accumulation of
- energía antes de comenzar con la subida del helióstato, se esperará a enviar la orden power before starting the rise of the heliostat, it will wait to send the order
- de subida cuando las condiciones de radiación sean las mínimas establecidas para el rise when the radiation conditions are the minimum established for the
- inicio de la operación. Estas condiciones dependerán del tipo y características del start of operation. These conditions will depend on the type and characteristics of the
- receptor solar y suelen ser de unos 300w/m2 de radiación solar directa. solar receiver and are usually about 300w / m2 of direct solar radiation.
- 25 25
- 6.-En estas condiciones el control local recibirá la orden de subida en la que deberá 6.-In these conditions the local control will receive the order of rise in which it must
- consumir gran parte de la energía acumulada pero contará con la ayuda del panel consume much of the accumulated energy but will have the help of the panel
- fotovoltaico el cual se hará cargo de un porcentaje sensible del consumo. photovoltaic which will take care of a sensible percentage of consumption.
- 7.-En condiciones de luz operativas (por encima de 300w/m2) el helióstato subirá por 7.-In operating light conditions (above 300w / m2) the heliostat will rise by
- su pasillo de seguridad hasta quedar en seguimiento de foco durante todo el día. your security corridor until you are in focus tracking throughout the day.
- 30 30
- 8.-Una vez que el helióstato ha alcanzado su posición de seguimiento solar a foco, el 8.-Once the heliostat has reached its position of solar tracking to focus, the
- consumo eléctrico baja sustancialmente al quedar los motores (8) trabajando de Electricity consumption drops substantially as the motors (8) remain working
- manera pulsante. En estas condiciones el condensador (4) se recupera rápidamente y pulsating way. Under these conditions the condenser (4) recovers quickly and
- se mantiene cargado por encima del 90% durante todo el día solar incluso con stays charged above 90% throughout the solar day even with
- condiciones climáticas adversas (baja radiación, fuerte neblina, paso de nubes ... ) La adverse weather conditions (low radiation, strong fog, passing clouds ...)
- 35 35
- misión del condensador (4) durante esta fase de funcionamiento, será la de amortiguar mission of the condenser (4) during this phase of operation, will be to dampen
las variaciones de luz del día lo que le provocará pequeñas descargas que se recuperan rápidamente cuando las condiciones de luz se restablecen. 9.-Cuando las condiciones de luz no permiten la operación del receptor solar o cuando se está al final del día cerca del atardecer, el condensador (4) del helióstato daylight variations causing small discharges that quickly recover when light conditions are restored. 9.-When the light conditions do not allow the operation of the solar receiver or when it is at the end of the day near sunset, the condenser (4) of the heliostat
5 dispone de carga suficiente para realizar la bajada del helióstato. La orden de bajada será recibida desde el control central y el helióstato, ayudado aún con la radiación captada por el panel fotovoltaico (9) realizará su maniobra de abatimiento quedando el helióstato, al final de ésta, con el panel fotovoltaico (9) mirando al sur. 10.-En este instante el control local (5), antes de desconectar la carga y dejar libre de 5 has enough charge to lower the heliostat. The descent order will be received from the central control and the heliostat, still assisted by the radiation captured by the photovoltaic panel (9), will perform its knockdown maneuver, leaving the heliostat, at the end of it, with the photovoltaic panel (9) facing the south. 10.-At this moment the local control (5), before disconnecting the load and leaving free
10 consumo al condensador, programará el reloj (15) para el despertar un poco después del orto del día siguiente procediendo después a la desconexión de la carga provocando una basculación del biestable (SR en la figura 3) para la desconexión del interruptor (17) del circuito de vigilancia (16). También será posible programar el despertar en intervalos de tiempo regulares, con el objeto de esperar a que las 10 consumption to the condenser, it will program the clock (15) to wake up a little after the next morning, then proceed to disconnect the load causing a flip-flop (SR in figure 3) to disconnect the switch (17) of the monitoring circuit (16). It will also be possible to program the awakening at regular time intervals, in order to wait for the
15 condiciones climáticas mejoren para despertar al helióstato y continuar con la operación con el día ya empezado. 11.-Cuando las condiciones de luz son muy bajas y ya apenas queda luz en el horizonte, el relé del dispositivo de vigilancia (16) se desactivará ya que el panel fotovoltaico (9) no genera tensión suficiente para mantenerlo. Ello provocará una 15 climatic conditions improve to wake up the heliostat and continue the operation with the day already started. 11.-When the light conditions are very low and there is hardly any light left on the horizon, the relay of the surveillance device (16) will be deactivated since the photovoltaic panel (9) does not generate enough voltage to maintain it. This will cause a
20 desconexión, si no la ha habido previamente desde el control local (5), de la carga al objeto de asegurar un almacén de energía para el día siguiente. 20 disconnection, if not previously done by the local control (5), of the load in order to ensure an energy store for the next day.
Claims (3)
- • •
- Conexión automática de los consumos del concentrador en condiciones de: -despertar horario mediante reloj (15) y -presencia de luz detectada por el panel fotovoltaico (9). Automatic connection of the consumption of the hub in conditions of: -wake up time by clock (15) and -presence of light detected by the photovoltaic panel (9).
- • •
- Inicio de la maniobra de subida de los concentradores a la posición de Start of the maneuver to raise the hubs to the position of
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