ES2423906A1 - Sistema para el posicionamiento de una superficie reflectante respecto del sol mediante el uso de un sensor solar en la luz reflejada - Google Patents

Sistema para el posicionamiento de una superficie reflectante respecto del sol mediante el uso de un sensor solar en la luz reflejada Download PDF

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Abstract

La presente invención consiste en un sistema para el posicionamiento de una superficie reflectante respecto del sol mediante el uso de un sensor solar en la luz reflejada, cuyo objeto es que la luz reflejada incida en un punto objetivo, empleando un sensor solar y un mecanismo angular de dos ejes. El procedimiento permite posicionar respecto del sol (S) una superficie reflectante (R) montada sobre un sistema mecánico con dos ejes de giro: azimut-elevación; empleando un sensor solar (1) colocado frente a la superficie reflectante, mirando hacia ella, en una orientación fija. El sensor solar mide los ángulos (2) que forman las proyecciones del vector de luz incidente respecto dos planos ortogonales (4). El procedimiento se aplica independientemente y simultáneamente en ambos ejes de giro, y permite calcular la posición relativa del rayo reflejado (3) en la superficie reflectante respecto de los planos ortogonales (4) del sensor solar (1). Conocida dicha posición relativa, se modifica la posición de la superficie reflectante (R), en ambos ejes independientes mediante el movimiento adecuado de dos motores, hasta que la posición relativa (2) del rayo reflejado (3) coincida con la perpendicular del sensor solar (1).

Description

Sistema para el posicionamiento de una superficie reflectante respecto del sol mediante el uso de un sensor solar en la luz reflejada.
OBJETO DE lA INVENCiÓN
La presente invención se refiere a un sistema que permite posicionar una superficie reflectante, montada sobre un mecanismo de dos ejes de giro: azimut-elevación; respecto del sol mediante un sensor solar colocado frente a la superficie reflectante y en una posición fija. El sistema calcula la posición relativa del rayo reflejado respecto de los planos ortogonales del sensor solar a partir de las señales generadas por éste. Dicha posición relativa se calcula para ambos ejes de giro por separado, lo que permite posteriormente corregir la posición de la superficie reflectante accionando los motores de cada eje de giro hasta que la posición relativa de los rayos reflejados coincida con la perpendicular del sensor solar. La invención tiene una aplicación directa en el campo del posicionamiento de elementos respecto de una radiación luminosa, como es el caso de heliostatos, elementos reflectivos y colectores solares en los sistemas solares de generación de energía. También es útil para sistemas de iluminación indirecta empleando la luz reflejada del sol.
ESTADO DE lA TÉCNICA
Actualmente, el problema de posicionamiento de una superficie reflectante está en auge debido a que su uso es imprescindible en las plantas solares de concentración, que emplean espejos, denominados heliostatos, que reflejan la luz solar sobre un colector distante incluso centenares de metros. La posición donde debe incidir la luz reflejada debe precisarse con un error del orden del decímetro. Por ello, la exactitud con la que debe posicionarse el espejo respecto del sol debe ser muy elevada. Los heliostatos empleados en estas plantas hacen uso de un sistema de posicionamiento basado en un mecanismo angular de dos ejes, accionados por sendos motores con un elevado grado de reducción. Un sensor angular tipo codificador angular determina el ángulo girado por cada eje respecto una posición inicial. Esta posición inicial es conocida a partir de un sensor de posición inicial. También se conoce la posición del sol a partir de un conjunto de ecuaciones, denominadas almanaque solar, que deben ser evaluadas con una periodicidad inferior a los 20 segundos. Conocidas la posición del concentrador, la del sol y la relativa del heliostato y del concentrador se puede calcular el error cometido y la consiguiente acción de control sobre los motores.
Tanto el sensor de posición inicial como el angular deben ser de elevada precisión para cumplir los requerimientos de puntería anteriormente mencionados. Asimismo, la estructura que soporta el espejo y el sistema de posicionamiento deben ser lo suficientemente robustos como para soportar el espejo y el esfuerzo que ejerce el viento sobre él, y además estar muy ajustados para reducir las tolerancias de su actuación. Otro efecto que hay que tener en cuenta es la desviación de la estructura por asentamiento de su cimentación. Por último, la carga computacional de cálculo de la posición es elevada, precisando el uso de un microprocesador de elevadas prestaciones. Por ello se precisa de un sistema que simplifique la estructura, los sensores y el cálculo con objeto de abaratar los costes de fabricación del heliostato.
En la patente 200900206 se propone el uso de dos sensores solares para posicionar una superficie respecto de una fuente lumínica. El montaje de dichos sensores solares establece un hándicap que complica la instalación y ejecución de dicho procedimiento, ya que los desalineamientos entre uno y otro provocan errores de cálculo en el posicionamiento. Además, cualquier defecto en el comportamiento de la estructura afecta a dicho posicionamiento. El uso de un único sensor propuesto en esta invención evita estos problemas en el procedimiento de posicionado de una superficie reflectante respecto de lo propuesto con el método de dos sensores solares.
El procedimiento de posicionado propuesto en el presente documento permite cerrar el bucle de control de un heliostato, realimentando el error cometido directamente a partir de la luz reflejada, permitiendo abaratar los costes de fabricación, puesto que se elimina el uso de sensores angulares y de posicionamiento inicial, y además se compensan los errores mecánicos generados por la estructura y perturbaciones externas como la del viento.
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS Figura 1
En esta figura se muestra la posición de la superficie reflectante (R), vista en planta, para que refleje la luz solar (3) con un ángulo (2) sobre los planos ortogonales (4) del sensor solar (1) colocado frente a la superficie, y mirando hacia ella.
Figura 2
En esta figura se muestra el posicionamiento final de la superficie reflectante (R), vista en planta, de tal forma que el ángulo (2) que forman los rayos reflejados (3) respecto de los planos ortogonales (4) del sensor solar (1) se corresponda con la perpendicular del sensor solar (1). El sensor ha sido previamente posicionado para que su eje perpendicular incida en la superficie objetivo (5).
Figura 3
En esta figura se muestran los diferentes diseños que puede tener la superficie reflectante (R). Tamaño arbitrario, con forma cuadrada (6), rectangular (7), circular (8) u otra forma poligonal (9). Formado por un único espejo plano (11) o con cierta curvatura (12), siendo facetado (formado por pequeñas superficies reflectantes adyacentes unas a otras) (10) o no, o cualquier combinación de estos diseños. La única condición es que la superficie sea reflectante para que exista rayo reflejado.
Figura 4. Representación en planta del procedimiento para posicionar una superficie reflectante respecto de una fuente luminosa cualquiera empleando un sensor de determinación del ángulo de incidencia, colocado frente a dicha superficie reflectante. En esta figura se representan una fuente luminosa cualquiera que emite suficiente radiación (13), permitiendo la condición de que exista rayo reflejado (3) que impacte en el sensor solar (1).
Figura 5. Representación del modo preferente de la realización de la invención. En esta figura se representa un heliostato formado por un espejo de vidrio (14) y un mecanismo de motores acimutal-cenital (15) (16) sobre un mástil (17). El sensor solar
(18) se coloca en otro mástil (19), enfrentándolo al rayo reflejado (20). Un sistema de control (21) recibe la medida del sensor y decide cómo mover los motores para corregir la posición del espejo para que el rayo reflejado sea perpendicular al sensor solar y así apuntar dicho rayo hacia la superficie objetivo (22).
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
La presente invención describe un sistema para posicionar una superficie reflectante de manera que la luz incidente reflejada incida en un punto objetivo. Se supone que la superficie reflectante está montada en un mecanismo angular de dos ejes de giro: azimut (horizontal al suelo) y elevación (perpendicular al suelo).
En la Figura 1 se muestra, en una vista de planta, el procedimiento que permite posicionar respecto del sol una superficie reflectante (R) montada sobre un sistema mecánico con dos ejes de giro empleando un sensor solar (1) de manera que los ángulos (2) que forman los rayos reflejados (3) con los planos ortogonales (4) de dicho
sensor hagan coincidir dichos rayos reflejados (3) con la perpendicular del sensor solar (1 ).
Cuando los ángulos no coinciden con la perpendicular del sensor solar, basta con mover los motores del sistema mecánico y realimentar el sistema, en bucle de control cerrado, para ir midiendo dichos ángulos hasta que se alcance la perpendicular del sensor solar. Con los rayos solares reflejados puede iluminarse una superficie objetivo
(5) mediante éste método, y mantener la iluminación aunque el Sol se mueva, ya que el bucle de control modifica la orientación del espejo para que así ocurra.
Tal y como se muestra en la figura 2, en una vista de planta, donde el procedimiento propuesto permite apuntar los rayos reflejados (3) hacia la superficie objetivo (5), siempre que el sensor se haya previamente posicionado de manera que su eje perpendicular incida en la superficie objetivo (5).
Dicho procedimiento de posicionamiento se aplica en ambos ejes de giro de forma independiente.
Para modificar la superficie apuntada (5) basta con mover el sensor solar (1), rotándolo sobre sí mismo o trasladándolo según dónde esté dicha superficie objetivo
(5) respecto de la superficie reflectante (R), para que el control del mecanismo angular de dos ejes reposicione la superficie reflectante acorde con la nueva dirección de la perpendicular del sensor solar (1).
La superficie reflectante puede ser de cualquier tamaño, composición o curvatura, ya que el hecho de ser reflectante es lo que permite la utilidad de la presente invención. Puede tener forma cuadrada (6), rectangular (7), circular (8) o cualquier otro diseño poligonal (9), de mayor o de menor tamaño, facetado (formado por pequeñas superficies reflectantes adyacentes unas a otras) (10) o no, plano (11) o con cierta curvatura (cóncava o convexa) (12), y cualquier combinación de estos diseños, tal y como se representa en los ejemplos que se ponen de manifiesto en la figura 3. La única condición es que la superficie sea reflectante (R) para que exista rayo reflejado (3).
El mecanismo angular de dos ejes estará formado por dos motores en dos ejes ortogonales. Dichos motores pueden ser de cualquier tipo: motor eléctrico, actuador hidráulico o actuador neumático, etc. La única condición es que el mecanismo angular de dos ejes permita girar la superficie reflectante en dos ejes ortogonales.
La fuente luminosa representada en la invención es el Sol (S) pero puede ser cualquier otra fuente luminosa (F) que emita la suficiente radiación (13) para que exista rayo reflejado (3) y que así el sensor solar (1) pueda medir los ángulos (2): focos, lámparas, bombillas, simuladores solares, etc. Tal y como se representa en la figura 4.
MODO PREFERENTE DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN
El siguiente ejemplo se muestra con carácter ilustrativo de la presente invención, pero no limitante.
Se trata del empleo de un heliostato, formado por un espejo de vidrio, cuadrado y plano (14), de 2 metros cuadrados, que puede posicionarse según un mecanismo angular de dos ejes de giro: acimutal (paralelo al suelo) (15) Y cenital (perpendicular al suelo) (16); un motor por cada eje de giro. A su vez dicho mecanismo está fijado al suelo mediante un mástil (17), tal y como se representa en la figura 5.
Por otro lado se dispone un sensor solar (18) atornillado a un mástil (19) que lo mantiene fijo en una posición, y colocado en la dirección del rayo reflejado (20), igualmente descrito en la fig. 5. El sensor solar mide los ángulos que forma el rayo reflejado respecto de sus planos ortogonales, y dicha medida se analiza mediante un sistema de control (21) instalado junto al mecanismo de motores.
El sistema de control moverá los motores del mecanismo angular (15) (16) acorde con la medida de ángulos del sensor solar (18), para hacer coincidir el rayo reflejado (20) con la perpendicular del sensor solar. Cuando se alcance dicha meta, el rayo reflejado estará apuntado hacia el punto y/o superficie objetivo (22).

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Sistema para el posicionamiento de una superficie reflectante respecto del sol mediante el uso de un sensor solar en la luz reflejada, caracterizado porque está compuesto por un mecanismo angular de dos ejes y un sensor de medida del ángulo de incidencia de la luz reflejada sobre el sensor, que permite el posicionamiento de una superficie reflectante respecto la luz incidente del sol para que la luz reflejada por ésta incida en un punto y/o superficie objetivo.
  2. 2.
    Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque emplea un sensor que mide el ángulo de incidencia de la luz respecto de sus planos ortogonales, estando el sensor en una posición fija e independiente de la superficie reflectante y del mecanismo de motores de dos ejes.
  3. 3.
    Sistema según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque emplea un sistema de control que obtiene la señal de actuación según el error de posición calculado, obtenido a su vez a partir de la diferencia entre los ángulos medidos por el sensor y la perpendicular del mismo.
  4. 4.
    Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque al mover, rotar o trasladar el sensor solar se modifica la dirección deseada de los rayos reflejados, y así poder apuntar a la superficie objetivo.
  5. 5.
    Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la superficie reflectante puede estar facetada o ser una única superficie, plana o con curvatura.
  6. 6.
    Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la superficie reflectante puede tener un tamaño arbitrario.
  7. 7.
    Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizada porque el giro de la superficie montada en el mecanismo angular se realiza mediante motores eléctricos, actuadores hidráulicos o neumáticos.
  8. 8.
    Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque puede trabajar según dos ejes ortogonales según otras direcciones distintas de azimut y elevación.
    5 9. Sistema según reivindicaciones anteriores caracterizado porque permite posicionar una superficie respecto a una fuente luminosa distinta del sol.
    (R)
    (4)
    (3) ~..!~! ...................~
    (1 )
    Figura 1
    (I!I~
    (R,
    Figura 2
    (1)
    (7)
    (11)
    (ta)
    Figura 3
    (R)
    (4)
    (3)
    (1)
    Figura 4
    o <S)
    14)
    (22)
    (20)
    (19)
    Figura 5
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