WO2013124501A1 - 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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Definitions

  • the present invention relates to a system that allows to position a reflective surface, mounted on a mechanism of two axes of rotation: azimuth-elevation; respect to the sun through a solar sensor placed in front of the reflective surface and in a fixed position.
  • the system calculates the relative position of the reflected beam with respect to the orthogonal planes of the solar sensor from the signals generated by it. Said relative position is calculated for both axes of rotation separately, which subsequently allows the position of the reflective surface to be corrected by driving the motors of each axis of rotation until the relative position of the reflected rays coincides with the perpendicular of the solar sensor.
  • the invention has a direct application in the field of the positioning of elements with respect to light radiation, such as heliostats, reflective elements and solar collectors in solar power generation systems. It is also useful for indirect lighting systems using reflected sunlight.
  • the heliostats used in these plants make use of a positioning system based on a two-axis angular mechanism, driven by two motors with a high degree of reduction.
  • An angular sensor type angular encoder determines the angle rotated by each axis relative to an initial position. This initial position is known from an initial position sensor.
  • the position of the sun is also known from a set of equations, called solar almanac, which must be evaluated with a periodicity of less than 20 seconds.
  • solar almanac a set of equations
  • the error made and the subsequent control action on the motors can be calculated.
  • Both the initial and angular position sensors must be of high precision to meet the aforementioned aiming requirements.
  • the structure that supports the mirror and the positioning system must be robust enough to support the mirror and the effort exerted by the wind on it, and also be very tight to reduce the tolerances of its performance. Another effect that must be taken into account is the deviation of the structure by settlement of its foundation.
  • the computational load of position calculation is high, requiring the use of a high performance microprocessor. Therefore, a system that simplifies the structure, sensors and calculation is required in order to reduce the manufacturing costs of the heliostat.
  • the positioning procedure proposed in this document allows the control loop of a heliostat to be closed, re-feeding the error made directly from the reflected light, making it possible to reduce manufacturing costs, since the use of angular and positioning sensors is eliminated initial, and also compensates for mechanical errors generated by the structure and external disturbances such as wind.
  • This figure shows the position of the reflective surface (R), seen in plan, so that it reflects sunlight (3) at an angle (2) on the orthogonal planes (4) of the solar sensor (1) placed in front of the surface, and looking towards it.
  • This figure shows the final positioning of the reflective surface (R), seen in plan, such that the angle (2) formed by the reflected rays (3) with respect to the orthogonal planes (4) of the solar sensor (1) ) corresponds to the perpendicular
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) of the solar sensor (1).
  • the sensor has been previously positioned so that its perpendicular axis affects the target surface (5).
  • This figure shows the different designs that the reflective surface (R) can have. Arbitrary size, with square shape (6), rectangular shape (7), circular shape (8) or another polygonal shape (9). Formed by a single flat mirror (11) or with a certain curvature (12), being faceted (formed by small reflective surfaces adjacent to each other) (10) or not, or any combination of these designs. The only condition is that the surface is reflective so that there is reflected lightning.
  • Figure 4 Plan representation of the procedure for positioning a reflective surface with respect to any light source using a sensor for determining the angle of incidence, placed in front of said reflective surface. This figure represents a light source that emits enough radiation (13), allowing the condition that there is a reflected beam (3) that impacts the solar sensor (1).
  • This figure represents a heliostat formed by a glass mirror (14) and an azimuthal-zenith motor mechanism (15) (16) on a mast (17).
  • the solar sensor (18) is placed on another mast (19), facing the reflected beam (20).
  • a control system (21) receives the measurement of the sensor and decides how to move the motors to correct the position of the mirror so that the reflected beam is perpendicular to the solar sensor and thus point said beam towards the target surface (22).
  • the present invention describes a system for positioning a reflective surface so that the reflected incident light strikes an objective point. It is assumed that the reflective surface is mounted on a two-axis angular mechanism of rotation: azimuth (horizontal to the ground) and elevation (perpendicular to the ground).
  • Figure 1 shows, in a plan view, the procedure that allows to position a reflective surface (R) mounted on a mechanical system with two rotational axes using a solar sensor (1) so that the angles (2) that form the reflected rays (3)
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) with the orthogonal planes (4) of said sensor make said reflected rays (3) coincide with the perpendicular of the solar sensor (1).
  • Said positioning procedure is applied on both axes of rotation independently.
  • the reflective surface can be of any size, composition or curvature, since being reflective is what allows the utility of the present invention. It can be square (6), rectangular (7), circular (8) or any other polygonal design (9), larger or smaller, faceted (formed by small reflective surfaces adjacent to each other) (10) or not , flat (11) or with some curvature (concave or convex) (12), and any combination of these designs, as depicted in the examples shown in Figure 3. The only condition is that the surface be reflective (R) so that there is reflected beam (3).
  • the two-axis angular mechanism will consist of two motors in two orthogonal axes. These motors can be of any type: electric motor, actuator hydraulic or pneumatic actuator, etc. The only condition is that the angular mechanism of two axes allows the reflective surface to be rotated in two orthogonal axes.
  • the light source represented in the invention is the Sun (S) but it can be any other light source (F) that emits enough radiation (13) so that there is reflected beam (3) and so that the solar sensor (1) can measure the angles (2): spotlights, lamps, light bulbs, solar simulators, etc. As depicted in figure 4.
  • a heliostat consisting of a glass mirror, square and flat (14), of 2 square meters, which can be positioned according to an angular mechanism of two axes of rotation: azimuth (parallel to the ground) (15) and zenith (perpendicular to the ground) (16); one motor for each axis of rotation.
  • said mechanism is fixed to the ground by means of a mast (17), as shown in Figure 5.
  • the solar sensor measures the angles that the reflected beam forms with respect to its orthogonal planes, and said measurement is analyzed by a control system (21) installed next to the motor mechanism.
  • the control system will move the angular mechanism motors (15) (16) according to the angle measurement of the solar sensor (18), to match the reflected beam (20) with the perpendicular of the solar sensor.
  • the reflected beam will be pointed towards the target point and / or surface (22).

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Abstract

La presente invención consiste en un método para posicionar una superficie reflectante respecto del sol con objeto de 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

TÍTULO
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
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) del sensor solar (1). El sensor ha sido previamente postcionado 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 ¡a 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 asf 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 so¡ 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)
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) 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

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, 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. 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. 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. 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 dos ángulos medidos por el sensor y dos ángulos de referencia (uno por cada plano ortogonal del sensor solar) que no se corresponden con la perpendicular del sensor solar.
5. 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.
6. Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la superficie reflectante puede estar facetada o ser una única superficie, plana o con curvatura.
7. Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la superficie reflectante puede tener un tamaño arbitrario.
8. 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.
9. Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque puede trabajar según dos ejes ortogonales según otras direcciones distintas de azimut y elevación.
10. Sistema según reivindicaciones anteriores caracterizado porque permite posicionar una superficie respecto a una fuente luminosa distinta del sol.
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