MX2012001033A - Sistema de calibracion para instalacion de colector solar. - Google Patents

Sistema de calibracion para instalacion de colector solar.

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Abstract

Una herramienta de calibración de concentrador solar que compensa inconsistencias en la fabricación, ensamble e instalación de un sistema colector solar, que permite al colector solar desempeñarse óptimamente. La herramienta de calibración proporciona información de retroalimentación a un procesador de control supervisor, permitiendo al procesador comparar la posición esperada del sol a la posición "real" encontrada por la herramienta de calibración. El procesador luego genera una señal de calibración, después usada por el mecanismo de control de movimiento del colector, para compensar el rastreo del colector solar para seguir de manera precisa el movimiento del sol, no restringido por los efectos de las inconsistencias de construcción.

Description

SISTEMA DE CALIBRACIÓN PARA INSTALACIÓN DE COLECTOR SOLAR Referencia cruzada a solicitud asociada La solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos número 61/228.440, presentada el 24 de julio de 2009 e incorporada como referencia en la presente solicitud.
Campo técnico La presente invención está relacionada con la instalación de un colector solar y, más en particular, con un sistema para proporcionar la alineación entre el sol . y el colector, independientemente de las características físicas del sistema de soporte del colector solar.
Antecedentes de la invención En el campo cada vez más importante de la producción de energía renovable, la energía solar es una tecnología altamente prometedora. En algunos casos, esta tecnología utiliza células solares, también conocidas como células fotovoltaicas (FV) , para convertir la radiación solar directamente en corriente eléctrica. Las células solares se pueden colocar en disposiciones alineadas de paneles planos, en los que la luz del sol incide directamente sobre grandes áreas de superficie de células solares. O, las células solares se pueden utilizar en concentradores fotovoltaicos en los que espejos y lentes reflejan y concentran la energía solar sobre una célula solar mucho más pequeña. En otros casos, la irradiación solar se concentra y dirige hacia una cavidad receptora para producir energía térmica. Aunque la eficiencia de cualquier sistema de energía solar se mide principalmente por la capacidad del concentrador de convertir la energía solar en electricidad, la capacidad del sistema de energía solar de seguir los movimientos del sol también tiene un efecto sustancial en la eficiencia del sistema de energía solar. Esto es, el ser capaz de ajustar de forma efectiva y eficiente el ángulo del panel/colector solar para maximizar la intensidad de la luz del sol que está siendo captada sigue siendo una cuestión muy importante en los sistemas de energía solar.
Un tipo de sistema de seguimiento utiliza sistemas montados sobre un pedestal, en los que un módulo solar se monta, en general, sobre un poste vertical, o pedestal, que se inserta en el suelo. A continuación, se utilizan varios motores y conexiones mecánicas para inclinar el panel sobre el poste de soporte en uno o dos ejes en función de los movimientos del sol.
Además de los diseños montados sobre un pedestal, se han utilizado muchas otras combinaciones de sistemas de seguimiento de carriles deslizantes, articulaciones de perno, rótulas, ruedas giratorias, y otros. Estos diseños no basados en pedestal requieren múltiples soportes, típicamente situados alrededor del perímetro del módulo solar, para anclar y controlar el movimiento del módulo. Por ejemplo, una disposición de la técnica anterior comprende un reflector circular montado en anillo que es soportado por un par de barras diametralmente opuestas, con una tercera barra situada por debajo de y a mitad de camino entre las conexiones de la pareja de barras. Las tres barras utilizan un conjunto de mecanismos para rotar el reflector a su posición deseada, que puede incluir rotar el reflector hacia abajo a una posición protectora de descanso.
A pesar de que se han diseñado e implementado numerosos sistemas de seguimiento, siguen existiendo los problemas relacionados con la preparación del emplazamiento, tolerancias de "apilamiento" como resultado de la fabricación y ensamblado del colector solar, así como con la instalación del propio colector en el emplazamiento. Esto es, los colectores solares requieren la construcción de una base precisa y el ajuste óptico posterior para alinear con precisión el colector con el sol durante la instalación y para seguir posteriormente el movimiento del sol a través del cielo. Los altos costes asociados con la preparación del emplazamiento y la fabricación de dicha base impactan en la viabilidad económica de la instalación de campos de colectores solares de gran extensión (esto es, una instalación de un gran número de colectores separados que funcionan como un solo "sistema") .
Compendio de la invención La presente invención responde a la necesidad que queda pendiente en la técnica anterior, que está relacionada con la instalación de un colector solar y, más en particular, con un instrumento y un procedimiento de calibración para crear una información de seguimiento "a medida" que compense las imprecisiones en una instalación especifica de colectores solares, manteniendo de este modo la alineación entre el sol y el colector solar instalado, independientemente de diversas imperfecciones en la construcción e instalación del colector solar .
En particular, el instrumento de calibración de la presente invención comprende un sistema que se fija, y que se puede desmontar posteriormente, a un sistema de colector solar en la instalación. El instrumento realiza una función de calibración: (1) recogiendo un conjunto de datos que definen las posiciones de un colector a media que éste se mueve inicialmente para seguir el movimiento del sol; (2) comparando estos datos del movimiento real con los datos del movimiento "esperado" (obtenidos a partir de las tablas solares estándar y la información de longitud/latitud) ; (3) creando una "superposición" de ajuste (en forma de "diferencia" entre estos dos conjuntos de datos) ; y (4) almacenando la información de superposición dentro del mecanismo de control de movimiento del colector .
El instrumento de calibración comprende un elemento de alineación (adosado al colector y que se puede desmontar posteriormente) utilizado para detectar la alineación óptima entre el colector y el sol en cualquier instante dado de tiempo, un codificador de la posición (también adosado al colector) para generar la elevación del colector y la información de latitud (en general, "información de posición") en cualquier instante dado de tiempo, y un procesador que recoge y utiliza la información tanto del elemento de alineación como del codificador de posición, junto con la información de movimiento "esperado" del sol, para determinar la diferencia entre los valores real y esperado generando de este modo la información de calibración (datos de ajuste) utilizada por los servomecanismos para controlar el movimiento del colector.
En operación, el instrumento de calibración funciona para proporcionar inicialmente la alineación entre el sol y el colector y determinar la información de posición inicial (por ejemplo, elevación y azimut) del colector. A partir de ese momento, se sigue una rutina de calibración (almacenada en el procesador) durante un periodo de tiempo suficiente para determinar la diferencia entre la posición esperada del sol (en relación con el eje óptico del colector - a partir de fuentes de referencia conocidas) y la posición real del sol (en relación con el eje óptico del colector - a partir de los datos del codificador de posición) . El procesador utiliza la información del desplazamiento para determinar el ajuste de calibración que será necesario que realicen los servomecanismos del colector para mantener el colector especifico alineado con la trayectoria del sol. A continuación se transfiere la información a los servomecanismos y se retira el instrumento de calibración del colector .
Una ventaja de la disposición de la presente invención es que el instrumento de calibración es necesario únicamente en la instalación inicial de un colector solar. Una vez que se ha realizado la calibración, se puede retirar el instrumento y queda disponible para su utilización con otra instalación colectora .
Por otra parte, se ha encontrado que la utilización de un instrumento de calibración para mejorar la alineación entre el sol y el colector reduce la precisión necesaria en la preparación del emplazamiento, en la fabricación de los componentes individuales del sistema y en la construcción del propio sistema sobre el terreno. Estas reducciones generan un ahorro de costes significativo sobre las disposiciones de la técnica anterior que se basaban en una alineación precisa durante la instalación.
En el transcurso de la siguiente descripción y haciendo referencia a los dibujos adjuntos se harán evidentes otros aspectos adicionales y modos de realización de la presente invención .
Breve descripción de los dibujos En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra un ejemplo de colector solar que puede utilizar el instrumento de calibración de la presente invención; la FIG. 2 es una vista en perfil del colector de la FIG. 1; la FIG. 3 es un diagrama de un ejemplo de instrumento de calibración construido de acuerdo con la presente invención; y la FIG. 4 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de proceso de realización de una calibración de un colector solar de acuerdo con la presente invención.
Descripción detallada La FIG. 1 es una ilustración sencilla de un ejemplo de colector solar 10 que se puede calibrar con el sistema de la presente invención para proporcionar un programa de seguimiento que compensa las imperfecciones que puedan existir en los componentes del sistema, la preparación del emplazamiento de instalación y/o la construcción sobre el terreno del propio colector solar. En este ejemplo especifico, el colector solar 10 incluye un reflector 12 de concentración para redirigir la radiación solar incidente hacia un receptor 14 (o un reflector secundario situado en esa posición) . En el emplazamiento de instalación, se puede fijar un colector 10 a, por ejemplo, una plataforma 20 de hormigón, o una estructura de soporte parecida. Para fijar un colector 10 a una plataforma 20 se utiliza una estructura 30 de montaje. Aunque en esta vista no se muestra de forma explícita, la estructura 30 también incluye servomecanismos que se utilizan para mover el colector 10 de modo que siga el movimiento del sol durante el transcurso del día. En la FIG. 2 se muestra una vista en perfil de la disposición de la FIG. 1, la cual ilustra una configuración específica de la estructura 30 de montaje. Como se ha expuesto más arriba, las variaciones en la preparación del emplazamiento y el montaje del concentrador impactarán en la alineación entre el colector 10 y el sol. Por ejemplo, una plataforma "nivelada" sobre la cual montar un colector no debería mostrar una desviación respecto al nivel de "milímetros" en una plataforma de varios metros de ancho. Las variaciones en las dimensiones de la estructura 30 de montaje también pueden afectar a la alineación entre el colector 10 y el sol.
La FIG. 3 ilustra un ejemplo de instrumento 40 de calibración construido de acuerdo con la presente invención para corregir las diferencias entre la trayectoria esperada de los movimientos del sol y las posiciones "reales" del sol observadas por un receptor 14 a medida que un colector 10 se mueve para mantener la alineación. Como se ha expuesto más arriba, la diferencia entre los valores esperado y real se puede atribuir a una variedad de factores que incluyen, pero no se limitan a, imperfecciones en la plataforma sobre la que se instala el colector, desalineación entre componentes del sistema, imperfecciones en la construcción de componentes individuales del sistema y/o imperfecciones en la construcción en la instalación real del sistema colector solar sobre el terreno. El instrumento 40 de calibración no se fija al colector solar 10 de modo permanente, sino que únicamente se utiliza en la instalación para determinar el desfase entre los valores predichos y reales y para crear una señal de ajuste utilizada posteriormente por los servomecanismos del colector para controlar el movimiento del colector 10. Posteriormente se retira el instrumento 40 de calibración.
Como se muestra en la FIG. 3, el instrumento 40 de calibración incluye un elemento 42 de alineación, un procesador 44 y un codificador 46 de posición. El elemento 42 de alineación se utiliza para reajustar periódicamente la posición del colector 10 para mantener el eje óptico del colector en alineación con la posición del sol. En un modo de realización, el elemento 42 de alineación comprende un conjunto de sensores de fotodiodos en cuadrante que van a generara una serie de señales eléctricas de salida en función de la cantidad de radiación solar recibida por el conjunto. Para formar el elemento 42 de alineación se pueden utilizar algunos otros tipos de disposiciones que incluyen, pero no se limitan a, una configuración en matriz de fotodiodos, un conjunto de pares termoeléctricos, una cámara; en general, cualquier tipo de instrumentación que se vea afectada por la radiación del sol.
El procesador 44 incluye un programa de control que provocará que el colector ajuste su posición hasta alcanzar la alineación entre el sol y el elemento 42 de alineación (i.e. cuando se mide la "máxima" radiación solar, por ejemplo, mediante un conjunto de fotodiodos) . Una vez que se ha alcanzado la alineación, se registra la información de posición real asociada a la posición del colector 10 (en cuanto a datos de elevación y azimut) mediante el codificador 46 de posición y se transmite al procesador 44.
Con esta comprensión del funcionamiento de los elementos que forman el instrumento 40 de calibración, a continuación se describirá en detalle un ejemplo del proceso de calibración de acuerdo con la presente invención.
La FIG. 4 contiene un diagrama de flujo de un ejemplo del proceso que se puede utilizar para implementar el proceso de calibración tal como se proporciona de acuerdo con la presente invención. El proceso comienza en el paso 100 con la fijación del elemento 42 de alineación y el codificador 46 de posición al sistema del colector solar. Para calibrar correctamente la alineación del sistema colector con la posición del sol, es necesario colocar el elemento 42 de alineación a lo largo del eje óptico del sistema. En un modo de realización preferido, el elemento 42 de alineación se sitúa en el receptor 14, permitiendo su fijación y posterior retirada de manera relativamente sencilla.
Una vez que estos elementos se encuentran en su lugar, el proceso de calibración comienza con un movimiento de barrido inicial del colector 10 (paso 110) y la medida de la señal óptica (radiación del sol) que incide sobre el elemento 42 de alineación. Este paso se puede considerar como un proceso de "centrado" para alinear inicialmente el receptor 14 del sistema del colector solar con la posición del sol. Como se muestra en el paso 120, el movimiento del colector 10 (controlado por los servomecanismos que se incluyen en la estructura 30 de montaje) continúa, transmitiéndose al procesador 44 la potencia de la señal óptica capturada por el elemento 42 de alineación hasta que se alcanza una señal asociada con la alineación óptima (por ejemplo, se mide una máxima potencia solar) . En este instante, se ha conseguido un registro inicial del colector 10 con la posición del sol, y se transmite la posición del colector 10 (elevación y azimut) desde los codificadores 46 de posición al procesador 44 (paso 130) .
Mientras el sol recorre de forma continua una trayectoria de un lado al otro del horizonte, el colector 10 debe permanecer alineado con la posición del sol para continuar recibiendo la radiación máxima. La técnica está repleta de sistemas que proporcionan dicho seguimiento, como se ha mencionado más arriba. Sin embargo, se sabe que estos sistemas utilizan únicamente el movimiento "predicho" o "esperado" del sol (para una posición geográfica, época del año, etc., dadas) y no tiene en cuenta ninguna irregularidad introducida en el seguimiento por las imperfecciones del propio sistema colector solar. El propósito de la presente invención es entender estas irregularidades y calibrar la "trayectoria" seguida por el colector de modo que permanezca alineado con la posición real del sol.
En consecuencia, el proceso de calibración de la presente invención continúa en el paso 140 con el inicio de la secuencia de calibración. La secuencia comienza con el movimiento del colector 10 controlado de forma permanente, durante un periodo de tiempo predeterminado, midiendo la señal óptica recibida por el elemento 42 de alineación de modo que mantenga la alineación con el sol (paso 150) . A medida que se realiza cada movimiento, se transmite la información de posición del colector solar (por ejemplo elevación y azimut) desde los codificadores 46 de posición al procesador 44 (paso 160), que añade una marca de tiempo a estos datos de posición y la almacena en un módulo de memoria incluido (paso 170) .
En este momento se determina (paso 180) si ha terminado el periodo de calibración. Suponiendo que no ha terminado el periodo de calibración, el proceso vuelve al paso 150, donde la posición del colector se vuelve a alinear de nuevo con el sol (utilizando la realimentación del elemento 42 de alineación) y se transmite al procesador 44 la información de elevación y azimut asociada.
Mediante la repetición de estos pasos durante un periodo de tiempo predeterminado (medido, quizá, en horas o minutos) , se acumula un conjunto de datos que define la posición real del sol respecto del colector 10 que se requieren para mantener a estos alineados. Una vez que se ha recogido una cantidad suficiente de datos (de acuerdo con lo que establezca la persona que realice la calibración) , el proceso continúa en el paso 190, en el que el procesador 44 compara los datos reales registrados de elevación y azimut del sol con los valores esperados asociados a la información geográfica almacenada que contiene.
Considerando que cualquier colector solar instalado tendrá una o más imperfecciones, los valores predichos y reales serán diferentes. A continuación, el procesador 44 determina esta diferencia como un ajuste que debe aplicarse a los valores esperados del movimiento del sol (asociado con el movimiento sobre el transcurso de un año completo) y transmite este ajuste como una señal de calibración a los servomecanismos asociados con la estructura 30 de montaje (paso 200) . Después de haber almacenado la información de calibración en los servomecanismos, el proceso de calibración ha terminado, y el elemento 42 de alineación y el codificador 46 de posición se retiran del sistema del colector solar (paso 210) .
Se debe entender que el instrumento 40 de calibración se puede ampliar para el control de una red de concentradores solares que se han instalado conjuntamente de forma distribuida por toda un área de ¾campo abierto' . En las instalaciones convencionales, tales disposiciones de concentradores tienen que llegar a un compromiso entre utilización del terreno y que se hagan sombra concentradores vecinos. La captación térmica solar solo es posible cuando el sol se encuentra a 30 grados por encima el horizonte, produciendo una media de 6,25 horas/dia de captación solar a lo largo del año. El método de control/seguimiento de la presente invención se puede configurar para elevar los reflectores en secuencia a medida que el sol sale del horizonte sin que se produzcan sombras. Esto produciría un 4% de aumento del factor de capacidad anual.
Aunque la invención se ha descrito con referencia a los modos de realización preferidos, aquellos experimentados en la técnica pertinente pueden realizar modificaciones y alteraciones obvias. Por lo tanto, se pretende que la invención incluya todas dichas modificaciones y alteraciones en toda su extensión que vienen dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un instrumento de calibración para alinear un colector solar con el sol en una instalación inicial de un sistema colector solar, comprendiendo el instrumento de calibración un elemento de alineación desmontable y unido a lo largo del eje óptico del sistema colector solar para proporcionar información en relación con la alineación actual entre el sol y el colector solar; un codificador de posición unido al colector solar para generar la información de posición del colector solar en su alineación con el sol; y un procesador acoplado a ambos, el elemento de alineación y el codificador de posición, para utilizar la información de posición junto con la información almacenada relacionada con el movimiento esperado del sol para determinar una diferencia entre ellas y utilizar la diferencia como un ajuste de calibración para ser utilizada posteriormente por el mecanismo de control del movimiento del colector solar.
2. Un instrumento de calibración como el definido en la reivindicación 1 en donde el elemento de alineación comprende un conjunto de sensores de fotodiodo.
3. Un instrumento de calibración como el definido en la reivindicación 2 en donde el conjunto de sensores de fotodiodo comprende un conjunto de sensores en cuadrante.
4. Un instrumento de calibración como el definido en la reivindicación 1 en donde el codificador de posición genera datos de elevación y azimut como información de posición.
5. Un método de calibrado del movimiento de un colector solar instalado inicialmente para seguir el movimiento del sol, comprendiendo el método alinear inicialmente el colector solar con el sol; determinar los datos de posición del colector solar asociados con esta alineación inicial; realizar una operación de seguimiento durante un periodo de tiempo predeterminado, registrando los datos de posición del colector solar para cada movimiento del colector solar; comparar los datos de posición registrados durante la operación de seguimiento con la información de posición esperada en función de la trayectoria conocida del sol; determinar una desviación en la posición entre los datos de posición registrados y la información de posición esperada, si la hay; y transmitir a los servomecanismos la desviación como una señal de calibración utilizada posteriormente para controlar los movimientos de seguimiento del colector solar con respecto al sol .
6. El método como el definido en la reivindicación 6 en donde el método comprende, además, el paso de retirar el instrumento de calibración del colector solar.
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