WO2011161280A1 - Seguidor solar con cilindros oleohidraúlicos y método de funcionamiento - Google Patents

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Juan Enrile Medina
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the invention falls within the solar energy sector, more specifically it refers to the technology of solar trackers, whether for parabolic trough collectors, parabolic discs, heliostats or photovoltaic modules, to achieve their continuous and precise orientation towards the sun .
  • thermo-solar is based on the concept of the concentration of solar radiation to produce steam or hot air, which can later be used in conventional power plants.
  • Photovoltaic technology is based on the photoelectric effect for the production of electricity.
  • CCP Parabolic Cylinder Concentrator
  • CLF Fresnel Linear Collectors
  • parabolic disk concentrators whether parabolic disk concentrators, heliostats, parabolic trough collectors or photovoltaic modules, use a tracking system that allows them to remain permanently oriented towards the sun, thus increasing the amount of energy produced.
  • the change in volume with respect to the initial volume that the oil experiences due to a pressure change is called a compressibility constant.
  • this constant is close to 1.5 GPa, reducing the volume of the order of 0.7% per 100 bars of pressure.
  • This constant also depends on the initial pressure and temperature at which the oil is, increasing its value the higher the initial pressure and the lower the temperature.
  • a possible solution is to use systems that externally brake the cylinder (stem brakes), although these systems have the limitation that, not being designed for many movement maneuvers, they damage the cylinders after frequent and prolonged use. In the case of solar trackers the application is quite different, since it requires a large number of brake application maneuvers. Caliper brakes could also be used, but this solution involves a high cost that does not compensate for efficiency gains.
  • the present invention aims to provide a solution to the problem of loss of precision due to the compression of the oil, achieving a increased rigidity of the system without entailing a considerable increase in costs.
  • the invention describes a system of oleohydraulic cylinders for handling solar trackers. Thanks to a previous pressurization of the cylinders, an increase of the rigidity of the system is achieved and with this, the loss of precision caused by the compression of the oil is drastically reduced.
  • the system claimed is valid both for followers who move in one or more axes and for systems that use one or more cylinders.
  • the movement is originated by applying a pressure of, for example, 80 bar, on one of the cylinder chambers and the other chamber is connected to a tank (0 bar).
  • the pressure difference between the chambers is what produces, by means of the circulation of the oil, the movement of the piston.
  • the cylinder behaves as if the rigidity of the complete system were provided by the chamber at 80 bar, therefore, the accuracy of the assembly will be given by the pressure of This chamber, which in turn, depending on the position of the piston in the cylinder (which gives us the volume of this chamber), will determine the compression of the oil. This compression will be greater the more volume of oil we have in that chamber.
  • this precision loss effect can be alleviated by offsetting the deviations through the solar tracker control system. For example, as the heliostat changes its position in elevation and the center of gravity moves, traction or compression occurs in the cylinder with the consequent loss of precision. Thanks to the slow movement of the follower it is possible to know the difference between the real and the theoretical position by means of a position sensor. Once this error is known, the difference can be corrected by recalculating the new position. In the case that loads are applied in a timely manner such as those due to gusts of wind, it is very difficult to compensate for the error produced due to the response time of hydraulic systems.
  • the system of the invention unlike the known state of the art, proposes a solution that avoids the appearance of the problem or at least minimizes it to technically acceptable values.
  • the accuracy of the followers has a strong dependence on the compressibility constant. This accuracy increases when the oil compressibility constant increases. As stated in the previous section, the compressibility constant increases if the initial pressure to which the oil is subjected increases, therefore a pressurization of the cylinders will provide an increase in accuracy in the follower. Thanks to a previous pressurization of the cylinders, an increase of the rigidity of the system is achieved and with this, the loss of precision caused by the compression of the oil is drastically reduced.
  • the final pressure depends on factors such as the difference in surfaces due to the surface of the rod and the position of the piston.
  • the precision of a pressurized hydraulic cylinder depends on the sum of the compressibility of the two chambers that compose it and this compressibility depends on the amount of oil that we have in each chamber and therefore on the position of the piston inside the cylinder that defines the volume of oil in each chamber.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of an oleohydraulic circuit that controls a solar tracker of a photovoltaic panel.
  • the circuit comprises the cylinder assemblies (8, 9) that move the follower (in the preferred embodiment there will be three), an oil-hydraulic plant and a control system (5).
  • the oil-hydraulic plant controls the speed of movement of the cylinders by providing them with the oil they need for their movement.
  • This plant includes: a tank (1) where oil is stored in the cylinders (8, 9), with a filler cap (3) and a return filter (4) to prevent impurities from entering the tank (1) when the oil returns from the cylinders (8, 9). It also has a motor pump (2) that will be responsible for sending the oil to said cylinders (8, 9).
  • the control system (5) consists of a series of elements such as: pressure limiters, directional valves, accumulators, pressure switches, sensors ... and supervises and controls the correct operation of the entire system and protects it against possible accidents
  • the motor pump (2) is responsible for maintaining a pressure in the accumulator inside the control system (5), • The accumulator pressure is transmitted to both chambers of the three cylinders (8, 9), thus ensuring that the chambers have a constant pressurization prior to movement.
  • This system is specially designed for application in solar trackers, but its extension to other fields of the industry that require similar characteristics is not ruled out.

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Abstract

Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos que aumenta la rigidez del sistema a base de mantener las dos cámaras de cada uno de los cilindros presurizadas, aún en estado de reposo. De esta forma se consigue aumentar la precisión del sistema evitando movimientos indeseados de los cilindros debidos a la compresión del aceite. El sistema comprende un circuito con al menos un conjunto de cilindro (8, 9), una central oleohidráulica y un sistema de control (5), siendo la central oleohidráulica la que proporciona el aceite a los cilindros controlando la velocidad de movimiento de estos y el sistema de control (5) el que supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posibles accidentes.

Description

SEGUIDOR SOLAR CON CILINDROS OLEOHIDRAÚLICOS Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO
Sector técnico de la invención
La invención se encuadra dentro del sector de la energía solar, más concretamente se refiere a la tecnología de los seguidores solares, ya sea para colectores cilindro- parabólicos, discos parabólicos, helióstatos o módulos fotovoltaicos, para conseguir su continua y precisa orientación hacia el sol.
Antecedentes de la invención
La generación de energía a partir de la radiación solar es una industria en continuo desarrollo. Existen gran cantidad de tipologías de receptores solares pero todos ellos se basan en una premisa fundamental: cuanta más radiación solar sean capaces de captar, mayor será la cantidad de energía producida.
Existen principalmente dos tipos de tecnologías: termosolar y fotovoltaica. La termo- solar está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir vapor o aire caliente, que puede posteriormente ser usado en plantas eléctricas convencionales. La tecnología fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico para la producción de electricidad.
Dentro de la tecnología termosolar existen dos grandes grupos de concentradores: los puntuales y los lineales. Dentro de los concentradores puntuales se distinguen los concentradores de disco parabólicos y las centrales de torre, rodeadas estas últimas de helióstatos que concentran la luz solar sobre ellas. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro y en la actualidad empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel (CLF), que también utilizan espejos para reflejar la luz solar.
La mayoría de estos sistemas, ya sean concentradores de disco parabólicos, helióstatos, colectores cilindro parábólicos o módulos fotovoltaicos, utilizan un sistema de seguimiento que les permite mantenerse orientados de forma permanente hacia el sol, aumentando así la cantidad de energía producida.
Los seguidores solares, en la mayoría de los casos, realizan el seguimiento tanto acimutal como cenital y se manejan gracias a circuitos de cilindros oleohidraúlicos. Existe una gran cantidad de documentos que describen diversos desarrollos de seguidores de este tipo, como pueden ser las patentes ES2329854, ES2322527, WO2008/096029...
Este tipo de manejo se encuentra un problema grave: el aceite no es un fluido in- compresible. Esto conlleva a que se produzcan ligeros movimientos que, aunque para la mayoría de las aplicaciones industriales no suponga un problema a tener en consideración, en el caso de concentración solar, sea la causa de un importante descenso de la eficiencia de los sistemas.
El cambio de volumen con respecto al volumen inicial que experimenta el aceite debido a un cambio de presión, se denomina constante de compresibilidad. En aceites minerales el valor de esta constante se aproxima a 1 ,5 GPa, reduciendo el volumen del orden del 0,7% por cada 100 bares de presión.
ΔΡ
K = (A temperatura constante)
Figure imgf000004_0001
Esta constante también depende de la presión y temperatura inicial a la que se encuentre el aceite, aumentado su valor cuanto mayor sea la presión inicial y menor sea la temperatura.
Por otro lado, en cilindros y hablando en valores absolutos, un volumen de aceite se puede comprimir menos cuanto menor es el diámetro del cilindro y por lo tanto su volumen.
En seguidores los cambios de volumen de aceite son debidos a la acción de fuerzas externas como el viento y el peso propio del seguidor.
Todo esto supone que en cilindros de 883 mm de longitud, como los utilizados en ciertos seguidores, el movimiento producido como consecuencia de la compresión sea de 6 mm.
Para el caso de los cilindros que regulan la orientación al sol como los usados en la tecnología solar, una pérdida de precisión implica que disminuya de manera considerable la eficiencia del sistema. Una desviación en el movimiento del orden de 6 mm, puede suponer pérdidas de hasta el 100% en un instante dado.
Una posible solución consiste en emplear sistemas que frenan externamente el cilindro (frenos de vástago), si bien estos sistemas presentan la limitación de que, al no estar pensados para muchas maniobras de movimiento, dañan los cilindros tras un uso frecuente y prolongado. En el caso de los seguidores solares la aplicación es bien distinta, ya que requiere una gran cantidad de maniobras de aplicación de freno. También se podrían utilizar frenos de pinza, pero esta solución implica un alto coste que no compensa la ganancia de eficiencia.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar una solución al problema de pérdida de precisión debida a la compresión del aceite, lográndose un aumento de la rigidez del sistema sin que ello suponga un aumento considerable en costes.
Descripción de la invención
La invención describe un sistema de cilindros oleohidraúlicos para el manejo de seguidores solares. Gracias a una presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
El sistema que se reivindica es válido tanto para seguidores que realizan su movi- miento en uno o más ejes como para sistemas que empleen uno o varios cilindros. En la actualidad, para aplicaciones ordinarias hidráulicas, el movimiento se origina al aplicar una presión de por ejemplo, 80 bares, sobre una de las cámaras del cilindro y la otra cámara se conecta a tanque (0 bares). La diferencia de presión entre las cámaras es la que produce, mediante la circulación del aceite, el movimiento del émbolo. Como una de las cámaras se encuentra a 0 bares (presión de tanque), el cilindro se comporta como si la rigidez del sistema completo fuera proporcionado por la cámara a 80 bares, por lo tanto, la precisión del conjunto vendrá dada por la presión de esta cámara, que a su vez, dependiendo de la posición del émbolo en el cilindro (el cual nos da el volumen de esta cámara), determinará la compresión del aceite. Esta compresión será mayor cuanto más volumen de aceite tengamos en esa cámara.
Esta compresión se traduce en una pérdida de precisión del sistema seguidor.
En algunas ocasiones se puede paliar este efecto de pérdida de precisión compensando las desviaciones mediante el sistema de control del seguidor solar. Por ejem- pío, a medida que el heliostato varia su posición en elevación y el centro de gravedad se desplaza, se produce una tracción o compresión en el cilindro con la consiguiente pérdida de precisión. Gracias al lento movimiento del seguidor es posible conocer la diferencia entre la posición real y la teórica por medio de un sensor de posición. Una vez conocido dicho error, se puede corregir la diferencia recalculando la nueva posi- ción. En el caso de que se apliquen cargas de manera puntual como por ejemplo, las debidas a ráfagas de viento, resulta muy difícil compensar el error producido debido al tiempo de respuesta que tienen los sistemas hidráulicos.
Además hay que tener en cuenta que este tipo de seguidores se encuentran en continuo movimiento (del orden de tres veces por minuto), por lo que las correcciones tendrían que ser continuas. Con esta solución no se evita, por tanto, que surja el problema, aunque si se consiguen corregir las consecuencias del mismo.
El sistema de la invención, a diferencia del estado de la técnica conocido, propone una solución que evita la aparición del problema o al menos, lo minimiza hasta valo- res técnicamente aceptables.
La precisión de los seguidores tiene una fuerte dependencia de la constante de compresibilidad. Esta precisión aumenta cuando la constante de compresibilidad del aceite aumenta. Como se dijo en apartado anterior, la constante de compresibilidad aumenta si aumenta la presión inicial a la que está sometido el aceite, por lo tanto una presurización de los cilindros proporcionará un aumento de precisión en el seguidor. Gracias a una presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
En esta nueva aplicación se parte de cilindros cuyas dos cámaras se encuentran sometidas a una presión de, por ejemplo 100 bares, cuando el seguidor está en reposo, en vez de mantenerse sin presurizar como ocurre en el caso anterior.
Así, cuando se pretende mover el sistema y se aplica una presión, por seguir con el ejemplo anterior de 80 bares sobre el émbolo, dicha presión se reparte entre las dos cámaras, de forma que una de las cámaras, pasará a encontrarse a una presión de 140 bares y la otra disminuirá su presión hasta una presión de 60 bares (pues los 80 bares se reparten entre ambas cámaras). Al encontrarse las dos cámaras bajo una presión, la precisión del conjunto viene dada por la suma de las compresibilidades de ambas cámaras, consiguiéndose un aumento de precisión, en el peor de los casos, del doble si comparamos con el sistema anterior.
La presión final depende de factores como son la diferencia de superficies debido a la superficie del vástago y la posición del émbolo.
La influencia de la posición del émbolo tampoco es trivial. Como se dijo en los párrafos anteriores, la precisión de un cilindro hidráulico presurizado depende de la suma de las compresibilidades de las dos cámaras que lo componen y esta compresibili- dad depende de la cantidad de aceite que tengamos en cada cámara y por lo tanto de la posición del émbolo dentro del cilindro que nos define el volumen de aceite en cada cámara.
Así, si el émbolo se encuentra en la mitad de la carrera, esto es, a la mitad del cilindro podemos considerar que en las dos cámaras hay la misma cantidad de aceite, (algo que no es totalmente cierto porque el área del embolo para una de las cámaras es ligeramente mayor que para la otra, pero es una diferencia que no influye en este razonamiento), por lo tanto podemos considerar que la precisión del cilindro y por lo tanto del seguidor es debida a la suma de las dos compresibilidades de las dos cámaras que son iguales y en este caso, esta precisión es aproximadamente el doble que en el caso de aplicaciones ordinarias.
Cuando el émbolo se encuentra en sus posiciones extremas la precisión aumenta a más del doble porque domina la precisión de la cámara que contiene menor volumen al sumarse la compresibilidad de ambas. Así pues, siempre tendremos una precisión mayor o igual al doble que a la que teníamos en los casos normales de aplicaciones hidráulicas.
Esta solución de presurizar previamente las cámaras logra aumentar la rigidez del sistema y disminuye la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite hasta un punto en el que ya no afecta a la eficiencia del sistema.
Para poder llevarla a cabo, son pocas las modificaciones a hacer en los sistemas actuales y suponen un incremento en el coste prácticamente despreciable frente al coste del conjunto, pues habrá que aumentar el espesor de las paredes de los cilindros para que soporten una presión mayor en las cámaras (en lugar de 80 bares, tendrán que soportar 140 bares) y sólo habrá que sustituir alguna de las juntas que, incluso a veces, están tan sobredimensionadas que no les afecta la subida de pre- sión.
Así pues, con este sistema se consiguen minimizar los movimientos del seguidor hasta un punto en que la eficiencia en la producción de energía no sufra disminución apreciable y sin aumentar de forma apreciable el coste final del sistema.
Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- Figura 1 : Circuito oleohidraúlico de un seguidor solar, según la invención. Las referencias que aparecen en las figuras corresponden a los siguientes elemen- tos:
1. Tanque
2. Motobomba
3. Tapón de llenado
4. Filtro retorno
5. Sistema de control 6. Bloque limitador de presión de dilataciones térmicas
7. Bloque para cilindro sin limitador de presión
8. Cilindro de carrera 883 mm
9. Cilindro de carrera 582 mm
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir un ejemplo de realización de un circuito de seguidor solar con cilindros oleohidráuli- cos, según una realización preferente.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de un circuito oleohidráulico que con- trola un seguidor solar de un panel fotovoltaico.
En el caso de la realización preferente, se trata de un seguidor que controla tanto el movimiento cenital como el acimutal.
Comprende el circuito los conjuntos de cilindro (8, 9) que mueven el seguidor (en la realización preferente serán tres), una central oleohidráulica y un sistema de control (5).
Dos de los cilindros (8) que tendrán una mayor carrera, concretamente 883 mm en el caso de la realización preferente que se describe, serán los encargados de llevar a cabo el movimiento acimutal. El tercer cilindro o elevador (9), con una carrera menor, en la realización preferente de 582 mm, será el encargado del movimiento cenital o de elevación.
La central oleohidráulica controla la velocidad de movimiento de los cilindros proporcionándoles a su vez, el aceite que necesitan para su movimiento. Esta central comprende: un tanque (1) donde se almacena el aceite de los cilindros (8, 9), con un tapón de llenado (3) y un filtro de retorno (4) para evitar que entren impurezas en el tanque (1) cuando el aceite retorna de los cilindros (8, 9). También cuenta con una motobomba (2) que será la encargada de enviar el aceite a dichos cilindros (8, 9). El sistema de control (5) está formado por una serie de elementos como: limitadores de presión, válvulas direccionales, acumuladores, presostatos, sensores... y supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posi- bles accidentes.
El funcionamiento del sistema sería el siguiente:
• La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5), • la presión del acumulador se transmite a ambas cámaras de los tres cilindros (8, 9), consiguiendo de este modo que las cámaras cuenten con una presurizacion constante previa al movimiento.
• cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1). De este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta.
• una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente (8, 9) con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurizacion inicial.
Este sistema se diseña especialmente para su aplicación en seguidores solares, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos ya sea para movimientos en uno o más ejes y con uno o más cilindros caracterizado porque las dos cámaras de cada uno de los cilindros se mantienen en todo momento presurizadas, incluso cuando el seguidor se encuentra en reposo.
2. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 1 caracterizado porque comprende un circuito con al menos un conjunto de cilindro, una central oieohidráulica y un sistema de control (5).
3. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 2 caracterizado porque la central oieohidráulica proporciona el aceite a los cilindros controlando la velocidad de movimiento de estos.
4. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 3 caracterizado porque la central oieohidráulica comprende un tanque (1), donde se almacena el aceite de los cilindros (8, 9), con un tapón de llenado (3), un filtro de retorno (4) y una motobomba (2) que envía el aceite a dichos cilindros.
5. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 2 caracterizado porque el sistema de control (5) supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posibles accidentes.
6. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 5 caracterizado porque el sistema de control (5) está formado por una serie de elementos como limitadores de presión, válvulas direccionales, acumuladores, presostatos, sensores...
7. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 2 caracteri- zado porque el circuito comprende tres conjuntos de cilindros.
8. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 7 caracterizado porque dos de los cilindros (8) tienen una mayor carrera que el tercero (9) y serán los encargados de llevar a cabo el movimiento acimutal.
9. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 8 caracteri- zado porque la carrera de estos dos cilindros es de 883 mm.
10. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 7 caracterizado porque el tercer cilindro o elevador (9), con una carrera menor, será el encargado del movimiento de elevación.
11. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 10 caracte- rizado porque la carrera de este cilindro es de 582 mm.
12. Método de funcionamiento del seguidor solar con cilindros oleohidráulicos descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:
• La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5),
• la presión del acumulador se transmite a todas las cámaras de todos los cilindros, de manera que dichas cámaras cuentan con una presurizacion constante previa al movimiento,
• cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1); de este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta,
• una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurizacion inicial.
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