WO2015193523A1 - Heliostat - Google Patents

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WO2015193523A1
WO2015193523A1 PCT/ES2015/070405 ES2015070405W WO2015193523A1 WO 2015193523 A1 WO2015193523 A1 WO 2015193523A1 ES 2015070405 W ES2015070405 W ES 2015070405W WO 2015193523 A1 WO2015193523 A1 WO 2015193523A1
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axis
heliostat
solar
primary
sensor
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PCT/ES2015/070405
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Inventor
Julián López Garrido
Emilio Murcia Pacheco
Pedro MURCIA PACHECO
Original Assignee
Aplicaciones Renovables Integradas, Sl
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00Control of position or direction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
    • F24S30/40Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47Mountings or tracking

Definitions

  • the first heliostats considered as industrial elements were developed at the beginning of the eighties for the experimental central solar thermal solar plants, with the purpose of testing the viability of solar thermal energy in the industrial scale electricity production processes.
  • Table 1 summarizes the projects because of the international initiative (Data System name, year of installation, site installation, MWe electrical power installation, type of installed heliostats, No. number of heliostats m 2):
  • the invention that is proposed to meet the objectives set and solve these problems consists of a device formed by a heliostat that reflects solar radiation with less astigmatic error (phenomenon explained above) as a function of time, and whose operation is done in a different configuration than the existing ones, with closed loop control that can be supported in combination with an open loop control.
  • Indirect measurement a small amount of energy is diverted from that destined to reach the receiver in the opposite direction and parallel to its direction of travel by means of an optical system. It is this energy that is checked by the sensor.
  • Reflective reflects the incident energy through a secondary reflective surface that forms 90 ° with the reflective surface of the heliostat.
  • the angle formed by the main energy directions reflected by the main reflection system and this secondary one is 180 °. This system is represented in Figure 10.
  • Condition sensor 2 or sensor 2 Solar sensor that reports compliance with condition 2.
  • Deviated main beam the one that comes from the central point of the optical system and results from the reflection of the incident secondary beam.
  • the main plane of the optics (21) contains the main incident beam (22).

Abstract

Heliostat provided with an actuating shaft trained on the objective, reflection, refraction or direct solar sensors, closed-loop control, with the possibility of combination with open-loop control, irrespective of the main reflective optics solution, provision having been made for the closed-loop control system, which keeps the heliostat trained on the objective at all times, to be powered retroactively by the solar sensor signals.

Description

HELIÓSTATO  HELIOOSTATE
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Título Title
Helióstato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor solar y control en lazo cerrado. Heliostat with a drive shaft pointing to the target, solar sensor and closed loop control.
Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un helióstato perteneciente a un campo solar que refleja los haces de luz que llegan a él, dotado de un mecanismo de seguimiento solar. Se trata de una invención que pertenece, dentro del área de la termotecnia, al campo de la producción de energía a partir de la radiación solar. The present invention relates to a heliostat belonging to a solar field that reflects the light beams that reach it, equipped with a solar tracking mechanism. It is an invention that belongs, within the area of thermotechnics, to the field of energy production from solar radiation.
Esta invención no contempla la tipología o naturaleza de la superficie reflectante principal que soporte ésta, por lo que ésta superficie podría ser plana, esférica, parabólica, cilindrica, toroidal, teselada o adoptar cualquier otra configuración geométrica. This invention does not contemplate the typology or nature of the main reflective surface that supports it, so that this surface could be flat, spherical, parabolic, cylindrical, toroidal, tessellated or adopt any other geometric configuration.
Esta invención no especifica la ejecución estructural definida del sistema, sino que engloba todas las ejecuciones estructurales que cumplan las condiciones de movimiento y operación. This invention does not specify the defined structural execution of the system, but encompasses all structural executions that meet the conditions of movement and operation.
Antecedentes de la invención Background of the invention
El aprovechamiento de la energía solar como fuente de energía es realizada por el hombre desde la antigüedad. El Sol emite una ingente cantidad de energía, una parte de la cual llega a la Tierra en forma de luz y calor. Desde mediados del siglo XX se vienen realizando investigaciones para intentar transformar esa energía en electricidad: así, se han desarrollado placas fotovoltaicas que producen directamente electricidad cuando su superficie es convenientemente activada por la luz, y distintos tipos de colectores de calor que concentrando haces de luz sobre una tubería o sobre un receptor central que contiene un fluido logran alcanzar temperaturas suficientes como para producir grandes cantidades de vapor de agua que genera electricidad a través de una turbina, normalmente en un ciclo de Rankine. Es sobre este último tipo de instalación sobre la que versa la presente invención. The use of solar energy as a source of energy is made by man since ancient times. The Sun emits a huge amount of energy, a part of which reaches the Earth in the form of light and heat. Since the mid-twentieth century, research has been conducted to try to transform that energy into electricity: thus, plates have been developed photovoltaic that produce electricity directly when its surface is conveniently activated by light, and different types of heat collectors that concentrate light beams on a pipe or on a central receiver that contains a fluid manage to reach sufficient temperatures to produce large amounts of steam of water that generates electricity through a turbine, usually in a Rankine cycle. It is about this last type of installation that the present invention is about.
Dada la baja potencia específica por unidad de superficie de la radiación solar, para aprovechar esta energía de manera adecuada es necesario concentrar un gran número de haces de luz sobre un mismo punto, lo que tradicionalmente se realiza por medio de espejos orientados sobre un depósito o sobre una tubería a modo de colector. En este caso la radiación es por concentración indirecta, ya que para alcanzar su objetivo los rayos han de rebotar previamente en el espejo. Given the low specific power per unit area of solar radiation, to use this energy properly it is necessary to concentrate a large number of light beams on the same point, which is traditionally done through mirrors oriented on a tank or on a pipe as a collector. In this case the radiation is by indirect concentration, since to reach its objective the rays must bounce previously in the mirror.
El estado de la técnica cuenta con distintos sistemas patentados internacionalmente encaminados a optimizar la concentración y aprovechamiento de energía solar reflejada por sistemas de helióstatos para la producción de energía eléctrica, así como accesorios y complementos que vienen reflejados en distintos epígrafes de la Clasificación Internacional de Patentes. The state of the art has different internationally patented systems aimed at optimizing the concentration and use of solar energy reflected by heliostat systems for the production of electrical energy, as well as accessories and complements that are reflected in different headings of the International Patent Classification .
La solución adoptada por la patente con número de publicación ES 8100499, es la denominada solución clásica de eje vertical o cenital. Esta solución mecánica requiere de un control y accionamiento extremadamente preciso y calibración inicial compleja para mantener el apuntamiento durante un corto periodo de tiempo hasta la siguiente calibración. La aberración astigmática (fenómeno indeseado de todas las lentes cuando se mira a través de ellas oblicuamente, en nuestro caso deformación de la imagen reflejada del Sol) tiende a aumentar el tamaño aparente del Sol fuera de las condiciones de operación óptimas. Dado que el objetivo es obtener una imagen del Sol tan pequeña como se pueda (concentración de la energía recibida), este fenómeno es indeseado. La invención presentada soluciona ambas inconveniencias debido a que el sistema de control en lazo cerrado, que puede combinarse con el habitual control en lazo abierto, elimina la necesidad de recalibración continua, y que constructivamente la aberración astigmática es mínima en sistemas de accionamiento spin-elevación. The solution adopted by the patent with publication number ES 8100499, is the so-called classic vertical or zenith axis solution. This mechanical solution requires extremely precise control and actuation and complex initial calibration to maintain the aiming for a short period of time until the next calibration. Astigmatic aberration (unwanted phenomenon of all lenses when viewed through them obliquely, in our case deformation of the reflected image of the Sun) tends to increase the apparent size of the Sun outside the optimal operating conditions. Since the objective is to obtain an image of the Sun as small as possible (concentration of the energy received), this phenomenon It is unwanted. The presented invention solves both inconveniences because the closed loop control system, which can be combined with the usual open loop control, eliminates the need for continuous recalibration, and constructively astigmatic aberration is minimal in spin-lift drive systems. .
Otra patente con número de publicación ES 2244339, propone una solución constructiva diferente a la configuración clásica. Ésta, al igual que la anterior, también posee un control en lazo abierto condicionado a multitud de recalibraciones del sistema, que como ya se ha indicado la invención presentada soluciona añadiendo la ventaja de la reducción de costes tanto en el sistema de seguimiento como en el mantenimiento. Another patent with publication number ES 2244339, proposes a different constructive solution to the classical configuration. This, like the previous one, also has an open loop control conditioned to a multitude of recalibrations of the system, which, as already indicated, the presented invention solves by adding the advantage of cost reduction in both the monitoring system and the system. maintenance.
Los primeros helióstatos considerados como elementos industriales se desarrollaron a los inicios de la década de los ochenta para las plantas experimentales termosolares de receptor central, con el propósito de probar la viabilidad de la energía solar térmica en los procesos de producción de electricidad a escala industrial. La tabla 1 resume los proyectos realizados debido a la iniciativa internacional (Datos, Nombre de la instalación, Año de instalación, Lugar de la instalación, MWe potencia eléctrica de la instalación, Tipo de helióstatos instalados, N° numero de helióstatos y m2): The first heliostats considered as industrial elements were developed at the beginning of the eighties for the experimental central solar thermal solar plants, with the purpose of testing the viability of solar thermal energy in the industrial scale electricity production processes. Table 1 summarizes the projects because of the international initiative (Data System name, year of installation, site installation, MWe electrical power installation, type of installed heliostats, No. number of heliostats m 2):
Figure imgf000005_0001
Una vez finalizados los proyectos de demostración, la mayoría de estas plantas fueron cerradas. En USA la planta Solar One fue remodelada y, con el mismo campo de helióstatos, se puso en funcionamiento la planta Solar Two la cual ha estado funcionando hasta Abril de 1999.
Figure imgf000005_0001
Once the demonstration projects were completed, most of these plants were closed. In the USA, the Solar One plant was remodeled and, with the same field of heliostats, the Solar Two plant was put into operation, which has been in operation until April 1999.
En Europa únicamente continuaron en servicio los campos de helióstatos correspondientes a las plantas CRS y CESA-1 , gracias a un acuerdo de colaboración entre los gobiernos alemán y español, constituyéndose la Plataforma Solar de Almería (PSA). In Europe, only the heliostat fields corresponding to the CRS and CESA-1 plants continued in service, thanks to a collaboration agreement between the German and Spanish governments, constituting the Almería Solar Platform (PSA).
La PSA sigue operando en la actualidad estos campos de helióstatos gracias a una gran diversidad de proyectos que se han llevado a cabo durante los últimos años. El objetivo de estos proyectos ha sido el desarrollo y evaluación de nuevos componentes solares en esta tecnología, fundamentalmente helióstatos y receptores solares. The PSA continues to operate these heliostat fields today thanks to a great diversity of projects that have been carried out in recent years. The objective of these projects has been the development and evaluation of new solar components in this technology, mainly heliostats and solar receivers.
Ninguno de los helióstatos desarrollados y aplicados en estas plantas es similar al presentado aquí, ya que todos estos se basan en un mecanismo de seguimiento azimut-elevación, mientras que el presentado se basa en un mecanismo de rotación alrededor del eje de apuntamiento y elevación. None of the heliostats developed and applied in these plants is similar to the one presented here, since all these are based on an azimuth-elevation tracking mechanism, while the one presented is based on a rotation mechanism around the aiming and elevation axis.
El sistema azimut-elevación consta de un eje de giro vertical (constante) y otro horizontal (que gira con el primero). Este montaje conlleva problemas asociados a la óptica en la reflexión, disminuyendo la concentración de los rayos reflejados por el sistema y por tanto la eficiencia total de la planta solar. The azimuth-lift system consists of a vertical (constant) and a horizontal (rotating with the first) axis of rotation. This assembly involves problems associated with the optics in the reflection, decreasing the concentration of the rays reflected by the system and therefore the total efficiency of the solar plant.
La diferencia esencial de la invención es la configuración de los ejes de giro, la cual permite, por otra parte, introducir el sistema de control en lazo cerrado. The essential difference of the invention is the configuration of the axes of rotation, which allows, on the other hand, to introduce the control system in closed loop.
La invención que se describe a continuación se ha desarrollado tras numerosos estudios y pruebas, y tras la comprensión de las posibilidades de optimización de diversas soluciones previamente planteadas por diversos equipos de investigación. El objetivo general pretendido con la presente invención es el desarrollo de un dispositivo económico en su instalación, que minimice las necesidades y gastos de mantenimiento, que aproveche al máximo la radiación solar y que resulte rápido y fácil de instalar en cualquier ubicación. The invention described below has been developed after numerous studies and tests, and after understanding the possibilities of optimization of various solutions previously raised by various research teams. The general objective intended with the present invention is the development of an economical device in its installation, which minimizes maintenance needs and expenses, maximizes solar radiation and is quick and easy to install in any location.
Descripción de la invención Description of the invention
En los dispositivos ya existentes cuyo cometido es reflejar la energía proveniente del Sol hacia un objetivo se encuentran dos problemas principales: In the existing devices whose mission is to reflect the energy coming from the Sun towards an objective there are two main problems:
El sistema de control es en lazo abierto, ya que por construcción estos dispositivos no son capaces de obtener una señal que indique en qué medida se acercan o alejan al estado deseado de funcionamiento. Esto es causa de costosos sistemas de control, aparte de una reducción de la precisión. The control system is open loop, since by construction these devices are not able to obtain a signal that indicates to what extent they approach or move away from the desired state of operation. This is the cause of expensive control systems, apart from a reduction in accuracy.
La energía reflejada varía la forma de incidir en el objetivo en gran medida con el tiempo. Debido a que el ángulo con que el Sol se refleja en el helióstato varía grandemente, esto afecta a la óptica de reflexión variando la forma en que la energía reflejada incide en el objetivo a lo largo del tiempo, pudiendo llegar a doblar el tamaño de la región de incidencia de los rayos reflejados. The reflected energy varies the way of influencing the objective greatly over time. Because the angle with which the Sun is reflected in the heliostat varies greatly, this affects the reflection optics by varying the way in which the reflected energy affects the target over time, being able to double the size of the region of incidence of reflected rays.
La invención que se propone para satisfacer los objetivos planteados y solventar estos problemas consiste en un dispositivo formado por un helióstato que refleje la radiación solar con menor error astigmático (fenómeno explicado anteriormente) en función del tiempo, y cuya operación se hace en configuración diferente a las existentes, con control en lazo cerrado que puede apoyarse en la combinación con un control en lazo abierto. The invention that is proposed to meet the objectives set and solve these problems consists of a device formed by a heliostat that reflects solar radiation with less astigmatic error (phenomenon explained above) as a function of time, and whose operation is done in a different configuration than the existing ones, with closed loop control that can be supported in combination with an open loop control.
Todo esto es posible porque la cinemática del sistema es sustancialmente diferente a la de los anteriores dispositivos. All this is possible because the kinematics of the system is substantially different from that of the previous devices.
Al igual que en estos dispositivos, el sistema consta de dos giros ortogonales a lo largo de sendos ejes de giro de los cuales uno de ellos, el primario, es fijo en el espacio y el otro, el secundario, varía su posición en función del giro alrededor del primario. As in these devices, the system consists of two orthogonal turns along two axes of rotation of which one of them, the primary one, is fixed in the space and the other, the secondary, varies its position depending on the turn around the primary.
Por el contrario, en la invención propuesta el eje primario se mantiene apuntando al objetivo en todo momento, por tanto el eje primario contiene al objetivo. A esta configuración la llamamos de apunte a objetivo. El plano formado por el eje primario y el Sol será el plano de reflexión, ya que en dicho plano se refleja la energía solar al objetivo. El eje secundario será el eje perpendicular al plano de reflexión. On the contrary, in the proposed invention the primary axis is kept aiming at the objective at all times, therefore the primary axis contains the objective. We call this configuration point to target. The plane formed by the primary axis and the Sun will be the reflection plane, since in that plane the solar energy is reflected to the objective. The secondary axis will be the axis perpendicular to the reflection plane.
Esta condición geométrica, en la que el plano perpendicular al eje secundario ha de contener al Sol y por tanto los rayos provenientes del Sol se mantienen perpendiculares al eje secundario, es la que brinda la posibilidad de disminuir el error astigmático. El cómo hacerlo entra dentro del campo de aplicación referido a la superficie reflectante, y al estar éste fuera del alcance de esta patente no se ahondará más en esta cuestión. This geometric condition, in which the plane perpendicular to the secondary axis must contain the Sun and therefore the rays coming from the Sun remain perpendicular to the secondary axis, is the one that offers the possibility of reducing the astigmatic error. How to do this falls within the scope of application referred to the reflective surface, and being outside the scope of this patent will not go deeper into this issue.
La condición geométrica destacada en el párrafo anterior es utilizada también para obtener la primera de las dos señales que permiten el control en lazo cerrado. Para ello, una posible configuración consiste en colocar un apuntador o sensor solar en el extremo exterior de la superficie reflectante, y contenido en el plano perpendicular al eje secundario. Este sensor solar proporciona una señal que indica si el Sol se encuentra a un lado u otro del plano perpendicular al eje secundario. Esta señal permite saber si el giro del eje primario es el adecuado para reflejar la energía solar en el objetivo. The geometric condition highlighted in the previous paragraph is also used to obtain the first of the two signals that allow closed loop control. For this, a possible configuration consists in placing a pointer or solar sensor on the outer end of the reflective surface, and contained in the plane perpendicular to the secondary axis. This solar sensor provides a signal that indicates whether the Sun is located on either side of the plane perpendicular to the secondary axis. This signal allows to know if the rotation of the primary axis is adequate to reflect the solar energy in the objective.
El fin último de la invención es reflejar la energía hacia el objetivo, lo cual significa que la energía reflejada se desplace hacia el objetivo según la dirección indicada por el eje primario. Esto se puede traducir en que el rayo principal reflejado se encuentre simultáneamente en dos planos perpendiculares, que geométricamente indica que dicha dirección es la de la recta formada por la intersección de ambos planos. El primer sensor de la configuración presentada comprueba la primera de estas dos condiciones. La segunda condición es que el rayo principal reflejado se encuentre contenido en el plano formado por el eje primario y el eje secundario. El plano formado por el eje primario y secundario es el plano de accionamiento. The ultimate purpose of the invention is to reflect the energy towards the objective, which means that the reflected energy moves towards the objective according to the direction indicated by the primary axis. This can mean that the reflected main beam is simultaneously in two perpendicular planes, which geometrically indicates that said direction is that of the line formed by the intersection of both planes. The first sensor of the presented configuration checks the first of these two conditions. The second condition is that the reflected main beam is contained in the plane formed by the primary axis and the secondary axis. The plane formed by the primary and secondary axis is the drive plane.
Existen dos métodos para comprobar que se cumple la segunda condición: There are two methods to verify that the second condition is met:
Medición directa: se coloca un sensor en el camino de la energía reflejada al objetivo. Se intercepta una pequeña cantidad de energía de la destinada a alcanzar al receptor para verificar que apunta correctamente. Direct measurement: a sensor is placed in the path of the energy reflected to the target. A small amount of energy from the one destined to reach the receiver is intercepted to verify that it is pointing correctly.
Medición indirecta: se desvía una pequeña cantidad de energía de la destinada a alcanzar al receptor en sentido opuesto y paralelamente a su dirección de desplazamiento mediante un sistema óptico. Es ésta energía la que es comprobada por el sensor. Indirect measurement: a small amount of energy is diverted from that destined to reach the receiver in the opposite direction and parallel to its direction of travel by means of an optical system. It is this energy that is checked by the sensor.
Existen dos tipos de sistemas ópticos: There are two types of optical systems:
Reflexivo: refleja la energía incidente mediante una superficie reflectante secundaria que forma 90° con la superficie reflectante del helióstato. Por geometría básica, el ángulo formado por las direcciones principales energía reflejada por el sistema de reflexión principal y éste secundario es 180°. Este sistema se encuentra representado en la figura 10. Reflective: reflects the incident energy through a secondary reflective surface that forms 90 ° with the reflective surface of the heliostat. By basic geometry, the angle formed by the main energy directions reflected by the main reflection system and this secondary one is 180 °. This system is represented in Figure 10.
Holográfico: capta parte de la energía incidente mediante una superficie con un tratamiento óptico especial que tras de sí forma una imagen virtual del Sol que indica cuando la energía reflejada llega al receptor o si el sistema no está correctamente alineado. Holographic: captures part of the incident energy through a surface with a special optical treatment that behind it forms a virtual image of the Sun that indicates when the reflected energy reaches the receiver or if the system is not properly aligned.
Para completar el sistema de medición se coloca en el eje primario, tras el sistema óptico, un sensor igual al que monitoriza la primera condición y con su plano de referencia paralelo al formado por el eje primario y el eje secundario. Otra posible configuración del sistema de medición consiste en colocar un sensor solar directo, que apuntará al rayo incidente en caso de cumplimiento de las dos condiciones expuestas anteriormente. En caso de optar por esta configuración, el sistema de control en lazo cerrado utilizado en la invención habrá de combinarse con un sistema de control en lazo abierto. To complete the measurement system, a sensor is placed on the primary axis, after the optical system, which monitors the first condition and with its reference plane parallel to that formed by the primary axis and the secondary axis. Another possible configuration of the measurement system is to place a direct solar sensor, which will point to the incident beam in case of compliance with the two conditions set forth above. If this configuration is chosen, the closed loop control system used in the invention must be combined with an open loop control system.
El conjunto de los elementos descritos y la estrategia de movimiento y control conforman la invención de la que es objeto este documento. The set of elements described and the movement and control strategy make up the invention to which this document is subject.
Para una mejor comprensión de lo expuesto aquí en el siguiente apartado se clarifican todos los términos utilizados y se ¡lustran mediante imágenes. For a better understanding of what is stated here in the next section, all the terms used are clarified and illustrated by images.
Descripción de los dibujos Description of the drawings
En primer lugar se enumeran y desarrollan una serie de términos, con el significado que se describe y que están representados en una serie de figuras. First of all, a series of terms are listed and developed, with the meaning described and represented in a series of figures.
- Energía solar: energía radiante que proviene del Sol y que llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características. - Solar energy: radiant energy that comes from the Sun and that reaches the Earth's surface with a characteristic intensity and spectral composition.
- Helióstato: Espejo de gran distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado foco a lo largo del día. - Heliostat: Mirror of great focal length, equipped with movement in two axes and whose mission is to reflect, concentrate and maintain static the image of the Sun in a certain focus throughout the day.
- Campo de helióstatos: También denominado concentrador primario o campo solar, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un objetivo o receptor. - Heliostat field: Also called primary concentrator or solar field, it is a set of heliostats arranged in a limited terrain and whose mission is the contribution of radiant energy to a target or receiver.
- Receptor solar u objetivo: Dispositivo que intercepta y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferirla mediante un intercambiador de calor al bloque de potencia de la planta. - Planta termosolar de receptor central: planta de producción de energía eléctrica que basa su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un único receptor. - Solar receiver or objective: Device that intercepts and absorbs the solar radiation provided by a field of heliostats, in order to transfer it through a heat exchanger to the power block of the plant. - Central receiver thermosolar plant: electric power production plant that bases its operation strategy on the contribution of heat to a certain conventional thermodynamic cycle, by concentrating solar radiation by a high number of heliostats on a single receiver.
- Rayo principal incidente: el que proviene del centro del disco solar y corta en el punto central de la óptica del helióstato. - Main incident ray: the one that comes from the center of the solar disk and cuts at the central point of the heliostat optics.
- Rayo principal reflejado: el que proviene del punto medio central de la óptica del helióstato y resulta de la reflexión del rayo principal incidente en el helióstato. - Reflected main beam: the one that comes from the central midpoint of the heliostat optics and results from the reflection of the main beam incident in the heliostat.
- Sensor solar o apuntador solar: Dispositivo que mediante fenómenos ópticos, fotovoltaicos, térmicos o de cualquier otra índole es capaz de discriminar la posición del Sol respecto a un plano de referencia, permitiendo conocer si el Sol queda a un lado u otro del mismo, generalmente con la finalidad de llevar a coincidir este plano de referencia con la posición del Sol (condición de apunte). - Solar sensor or solar pointer: Device that by means of optical, photovoltaic, thermal or any other phenomena is able to discriminate the position of the Sun with respect to a reference plane, allowing to know if the Sun is on one side or the other of the same, generally with the purpose of leading this reference plane to coincide with the position of the Sun (point condition).
- Sistema óptico: dispositivo instalado en el helióstato cuya finalidad es desviar una pequeña parte de la energía incidente de manera que sea posible monitorizar gracias a ésta, y mediante un sensor solar, la incidencia del resto de la energía reflejada en el receptor solar u objetivo. - Optical system: device installed in the heliostat whose purpose is to divert a small part of the incident energy so that it is possible to monitor thanks to it, and by means of a solar sensor, the incidence of the rest of the energy reflected in the solar receiver or target .
- Primera condición o condición 1 : El plano perpendicular al eje secundario ha de contener al Sol. Es una de las dos condiciones geométricas que conducen a que el rayo principal reflejado se dirija correctamente hacia el objetivo, y en la invención propuesta se consigue mediante una rotación adecuada del eje primario. - First condition or condition 1: The plane perpendicular to the secondary axis must contain the Sun. It is one of the two geometric conditions that lead to the reflected main beam being directed correctly towards the objective, and in the proposed invention is achieved by a adequate rotation of the primary axis.
- Sensor de condición 1 o sensor 1 : Sensor solar que informa del cumplimiento de la condición 1 . - Segunda condición o condición 2: Puede enunciarse como "el rayo principal reflejado se encuentra contenido en el plano formado por los ejes primario y secundario". Es una de las dos condiciones geométricas que conducen a la correcta reflexión del rayo principal hacia el objetivo, y en la invención propuesta se consigue mediante una rotación adecuada del eje secundario. - Condition sensor 1 or sensor 1: Solar sensor that reports compliance with condition 1. - Second condition or condition 2: It can be stated as "the reflected main beam is contained in the plane formed by the primary and secondary axes". It is one of the two geometric conditions that lead to the correct reflection of the main beam towards the objective, and in the proposed invention it is achieved by an adequate rotation of the secondary axis.
- Sensor de condición 2 o sensor 2: Sensor solar que informa del cumplimiento de la condición 2. - Condition sensor 2 or sensor 2: Solar sensor that reports compliance with condition 2.
- Rayo secundario incidente: el que proviene del centro del disco solar y corta en el punto central del sistema óptico. - Secondary secondary beam: the one that comes from the center of the solar disk and cuts at the central point of the optical system.
- Rayo principal desviado: el que proviene del punto central del sistema óptico y resulta de la reflexión del rayo secundario incidente. - Deviated main beam: the one that comes from the central point of the optical system and results from the reflection of the incident secondary beam.
- Plano de reflexión: El que contiene al rayo principal incidente y al rayo principal reflejado. - Reflection plane: The one that contains the main incident beam and the main reflected beam.
- Eje primario: Eje de giro del helióstato que permanece fijo en el espacio durante su operación y respecto del que gira el conjunto móvil. - Primary axis: Axis of rotation of the heliostat that remains fixed in the space during its operation and with respect to which the mobile assembly rotates.
- Plano principal de la óptica: Plano de simetría de la superficie reflectante, que a su vez contiene al eje primario. - Main plane of the optics: Plane of symmetry of the reflective surface, which in turn contains the primary axis.
- Eje secundario: Eje de giro del helióstato que es ortogonal al eje primario, y al plano principal de la óptica. - Secondary axis: Axis of rotation of the heliostat that is orthogonal to the primary axis, and to the main plane of the optics.
- Eje óptico de un helióstato: línea recta virtual que pasa por el centro de la óptica, corta ortogonalmente al eje secundario del helióstato y está contenido en el plano principal de la óptica. - Optical axis of a heliostat: virtual straight line that passes through the center of the optics, cuts orthogonally to the secondary axis of the heliostat and is contained in the main plane of the optics.
- Plano de accionamiento: plano que contiene al eje primario y al eje secundario. - Montura horizontal: Dispositivo mecánico de orientación en dos ejes de un helióstato respecto a un sistema topocéntrico de coordenadas horizontales, denominadas acimut y altura. El plano fundamental es el horizonte del observador y el punto fundamental es el Norte verdadero. La orientación del helióstato, en función de la evolución diurna del Sol en este mismo sistema de coordenadas, se consigue mediante giros acimutales (arcos de horizonte desde el punto fundamental) y de altura o cenitales (arcos ortogonales al plano horizonte en dirección al cénit del observador). El eje mecánico de giro acimutal es ortogonal al plano del horizonte y de orientación fija. Por el contrario, el eje de giro cenital es paralelo al plano del horizonte y de orientación variable, debido a la existencia de una ligadura mecánica entre ambos movimientos, que provoca el "arrastre" del eje cenital cada vez que el giro acimutal acontece. - Drive plane: plane containing the primary axis and the secondary axis. - Horizontal mount: Mechanical device of orientation in two axes of a heliostat with respect to a topocentric system of horizontal coordinates, called azimuth and height. The fundamental plane is the horizon of the observer and the fundamental point is the true North. The orientation of the heliostat, depending on the diurnal evolution of the Sun in this same coordinate system, is achieved by azimuthal turns (arcs of horizon from the fundamental point) and height or zeniths (arches orthogonal to the horizon plane in the direction of the zenith of the observer). The mechanical axis of azimuthal rotation is orthogonal to the plane of the horizon and of fixed orientation. On the contrary, the axis of zenith rotation is parallel to the plane of the horizon and of variable orientation, due to the existence of a mechanical ligation between both movements, which causes the "dragging" of the zenith axis each time the azimuthal rotation occurs.
- Montura spin-elevación: Dispositivo mecánico constructivamente similar a la montura horizontal pero cuyo eje primario no es vertical sino que se orienta de tal manera que dicho eje apunta al objetivo o receptor solar. El sistema de ejes en este caso también es ortogonal, lo que significa que el eje secundario permanece perpendicular al primario en todo momento. La orientación del helióstato, en función de la evolución diurna del Sol se consigue mediante giros alrededor del eje primario e inclinación respecto del eje de apunte. - Spin-lift mount: Mechanical device constructively similar to the horizontal mount but whose primary axis is not vertical but is oriented in such a way that said axis points to the target or solar receiver. The axis system in this case is also orthogonal, which means that the secondary axis remains perpendicular to the primary one at all times. The orientation of the heliostat, depending on the diurnal evolution of the Sun, is achieved by turning around the primary axis and inclination with respect to the aiming axis.
- Facetas: Elementos especulares individuales de que se compone la superficie reflectante de algunos helióstatos. - Facets: Individual specular elements of which the reflective surface of some heliostats is composed.
- Declinación: Variación de la altura del Sol sobre el ecuador celeste cuando la tierra, a lo largo del año, recorre su trayectoria (la eclíptica) alrededor del Sol. - Declination: Variation of the height of the Sun over the celestial equator when the earth, throughout the year, travels its trajectory (the ecliptic) around the Sun.
- Estrategia de apunte: Procedimiento de operación de una planta termosolar que consiste en definir un conjunto de coordenadas sobre el receptor a donde deben apuntar cada uno de los helióstatos del campo para conseguir la distribución de energía requerida sobre éste. - Estrategia dinámica de apunte: Es una estrategia de apunte en la cual las coordenadas sobre el receptor cambian con el tiempo, siguiendo determinados criterios de control. - Aiming strategy: Operation procedure of a solar thermal plant that consists of defining a set of coordinates on the receiver to which each of the heliostats of the field must aim to achieve the distribution of energy required on it. - Dynamic aiming strategy: It is an aiming strategy in which the coordinates on the receiver change over time, following certain control criteria.
Para completar la descripción que sigue y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferente basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: To complete the description that follows and in order to help a better understanding of the features 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 the purposes of guidance only and not limitation, the following has been represented:
La figura 1 muestra una planta termosolar de receptor central donde puede utilizarse el helióstato de la invención. También pueden observarse los elementos principales de la planta como la torre (13) donde se ubica el receptor (1 1 ), los helióstatos y otras instalaciones anexas. Figure 1 shows a central receiver solar thermal plant where the heliostat of the invention can be used. You can also see the main elements of the plant such as the tower (13) where the receiver (1 1), heliostats and other attached facilities are located.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva trasera de la montura "horizontal" de un helióstato. En esta figura se pueden observar el eje cenital (9), que en este caso coincide con el eje primario (3), y el eje secundario (5) en este caso horizontal. Esta configuración es la más habitual, en configuración monoposte donde la estructura es soportada por un pedestal (7), donde también se puede observar un elemento común a todo helióstato, el dispositivo de control (8). Figure 2 shows a rear perspective view of the "horizontal" mount of a heliostat. In this figure you can see the zenith axis (9), which in this case coincides with the primary axis (3), and the secondary axis (5) in this case horizontal. This configuration is the most common, in a single-pole configuration where the structure is supported by a pedestal (7), where you can also observe a common element to any heliostat, the control device (8).
La figura 3 muestra una vista en perspectiva trasera de una montura "spin- elevación" de una vanante del helióstato de la invención. Esta configuración es más similar a la configuración de montura "horizontal". El modo de soportar el peso de la estructura es mediante un pedestal (7), y también consta de dispositivo de control (8). En esta montura, el eje primario (3) varía su inclinación y orientación en función de la posición relativa al objetivo (1 1 ). El eje secundario (5), que en la posición representada se encuentra en posición horizontal, varía su posición dentro de un plano perpendicular al eje primario (3). En la figura se puede observar también los puntos de giro en los que se regula la inclinación y orientación del eje primario, en el mecanismo de unión del pedestal (7) y el eje primario (3). La figura 4 muestra una perspectiva del helióstato objeto de la invención, en configuración general. Cabe destacar que en esta se puede observar claramente los ejes primario (3) y secundario (5), y una manera de accionarlos mediante los accionamientos primario (4) y secundario (6). También se representa el sistema de control (8), común a todo helióstato. En el centro de la superficie reflectante se ubica el sistema óptico (17) por delante del sensor de la condición 2 (15) que junto con el sensor de condición 1 (14) representado en la siguiente figura conforman el sistema de captación necesario para el control en lazo cerrado. Figure 3 shows a rear perspective view of a "spin-lift" mount of a vain of the heliostat of the invention. This configuration is more similar to the "horizontal" mount configuration. The way to support the weight of the structure is by means of a pedestal (7), and also consists of a control device (8). In this mount, the primary axis (3) varies its inclination and orientation depending on the position relative to the target (1 1). The secondary axis (5), which in the position shown is in a horizontal position, varies its position within a plane perpendicular to the primary axis (3). The figure also shows the pivot points at which the inclination and orientation of the primary axis is regulated, in the pedestal joint mechanism (7) and the primary axis (3). Figure 4 shows a perspective of the heliostat object of the invention, in general configuration. It should be noted that in this one you can clearly see the primary (3) and secondary (5) axes, and a way of actuating them through the primary (4) and secondary (6) drives. The control system (8), common to all heliostats, is also represented. In the center of the reflective surface, the optical system (17) is located in front of the condition sensor 2 (15) which together with the condition sensor 1 (14) represented in the following figure form the collection system necessary for the closed loop control.
La figura 5 muestra una vista lateral y otra frontal del helióstato. En esta figura, aparte de los elementos destacados en la figura anterior, tales como el eje primario (3), accionamiento primario (4), eje secundario (5), accionamiento secundario (6) y el sistema de control (8), se pueden observar otros elementos. La superficie reflectante (1 ) se monta sobre el soporte móvil (2), y sobre este soporte también se ubica el sensor de la condición 1 (14) en un extremo. Figure 5 shows a side and front view of the heliostat. In this figure, apart from the elements highlighted in the previous figure, such as the primary axis (3), primary drive (4), secondary shaft (5), secondary drive (6) and the control system (8), You can observe other elements. The reflective surface (1) is mounted on the mobile support (2), and on this support the condition sensor 1 (14) is also located at one end.
La figura 6 muestra una vista en planta del plano de reflexión. En esta vista se pueden observar las principales características de la reflexión de la energía solar en una posición correcta de apunte. La superficie reflectante (1 ) se orienta según el eje óptico (18). El rayo principal incidente (22) y el rayo principal reflejado (23) forman en cada momento ambos un ángulo γ con el eje óptico (18) consecuencia directa de la ley de reflexión. El rayo principal reflejado (23) resulta de la reflexión del rayo principal incidente (22) que proviene del Sol (12), y es reflejado por la superficie reflectante (1 ), y para que éste alcance al objetivo (1 1 ), situado en la torre (13), ha de cumplirse que éste sea coincidente con el eje principal (3), para lo que se acciona el sistema mediante los ejes principal (3) y secundario (5). Aunque en esta figura no esté representado, el plano principal de la óptica (21 ) y el plano de referencia del sensor de la condición 1 se ubicarán ambos en el plano de reflexión para que se cumpla la condición 1 . La figura 7 muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial en que se fundamenta la invención. En esta configuración se están cumpliendo las dos condiciones de apunte que permiten al rayo principal reflejado (23) alcanzar el objetivo (1 1 ). Esta representación aclara la participación de algunos elementos que no aparecen en la figura anterior, como el plano de accionamiento (10). Figure 6 shows a plan view of the reflection plane. In this view you can see the main characteristics of the reflection of solar energy in a correct pointing position. The reflective surface (1) is oriented along the optical axis (18). The incident main beam (22) and the reflected main beam (23) form at each moment both an angle γ with the optical axis (18), a direct consequence of the law of reflection. The reflected main ray (23) results from the reflection of the main incident ray (22) that comes from the Sun (12), and is reflected by the reflective surface (1), and so that it reaches the target (1 1), located in the tower (13), it must be fulfilled that it is coincident with the main axis (3), for which the system is operated by the main (3) and secondary (5) axes. Although not shown in this figure, the main plane of the optics (21) and the reference plane of the sensor of condition 1 will both be located in the reflection plane so that condition 1 is met. Figure 7 shows, schematically in perspective, the spatial geometry on which the invention is based. In this configuration, the two aiming conditions that allow the reflected main beam (23) to reach the objective (1 1) are being met. This representation clarifies the participation of some elements that do not appear in the previous figure, such as the drive plane (10).
La figura 8 es un alzado de la figura 6. Esta figura junto con las dos anteriores acaba de clarificar la posición espacial de todos los elementos que intervienen en la reflexión. Figure 8 is an elevation of Figure 6. This figure together with the previous two just clarified the spatial position of all the elements involved in the reflection.
La figura 9 representa el detalle de una posible configuración del sensor 1 (14). Este sensor está compuesto por una superficie opaca (24) como representación física del plano de referencia y dos superficies sensibles (25) a la energía solar incidente. La superficie sensible (25) del lado de donde se encuentre el Sol (12) producirá una mayor señal (puede observarse la parte punteada donde no se ilumina la superficie sensible), lo que indica el incumplimiento de la condición 1 . En el momento que el Sol (12) se encuentre contenido en el plano de referencia, las superficies sensibles (25) generarán la misma señal y se sabrá que la posición respecto al giro del eje principal es correcta. Figure 9 represents the detail of a possible configuration of sensor 1 (14). This sensor is composed of an opaque surface (24) as a physical representation of the reference plane and two surfaces (25) sensitive to incident solar energy. The sensitive surface (25) on the side where the Sun is located (12) will produce a greater signal (the dotted part where the sensitive surface is not illuminated), which indicates the breach of condition 1. As soon as the Sun (12) is contained in the reference plane, the sensitive surfaces (25) will generate the same signal and it will be known that the position with respect to the rotation of the main axis is correct.
La figura 10 representa el detalle de una posible configuración del sistema óptico (17) del sensor 2 (15). En este caso, el sensor 2 (15) es igual al sensor 1 (14), con la salvedad de que solo varía su posición por acción del eje primario (3) permaneciendo en todo momento la superficie opaca (24) paralela a este eje. La superficie opaca (24) también permanece paralela al eje secundario (5), por lo que dicha superficie se ubica en el plano de accionamiento (10), que es perpendicular al plano principal de la óptica (21 ) que es el plano al que es paralela la superficie opaca (24) del sensor 1 (14). La superficie reflectante secundaria (26) gira alrededor del eje secundario (5) reorientando el rayo principal desviado hacia el sensor 2 (15). Por el mismo fenómeno que en el sensor 1 (14), cuando las superficies sensibles produzcan la misma señal, el rayo principal desviado (19) será paralelo al eje primario (3) y por tanto el principal reflejado (23) también será paralelo a dicho eje y por tanto se dirigirá al objetivo (1 1 ). Figure 10 represents the detail of a possible configuration of the optical system (17) of the sensor 2 (15). In this case, the sensor 2 (15) is equal to the sensor 1 (14), with the proviso that only its position varies due to the action of the primary axis (3), the opaque surface (24) parallel to this axis remaining at all times. . The opaque surface (24) also remains parallel to the secondary axis (5), whereby said surface is located in the drive plane (10), which is perpendicular to the main plane of the optics (21) which is the plane to which the opaque surface (24) of the sensor 1 (14) is parallel. The secondary reflective surface (26) rotates around the secondary axis (5) reorienting the main beam deflected towards the sensor 2 (15). By the same phenomenon as in the sensor 1 (14), when the sensitive surfaces produce the same signal, the deflected main beam (19) will be parallel to the primary axis (3) and therefore the main reflected (23) will also be parallel to said axis and will therefore target the target (1 1).
La figura 1 1 presenta una vista del plano de reflexión, una vez se cumple la condición 1 , por tanto el Sol como el objetivo están en el plano de reflexión. En esta figura puede verse la disposición del sensor 2 (15) y su sistema óptico (17) cuando el giro alrededor del eje secundario (5) lleva al cumplimiento de la condición 2. Conviene enfatizar aquí que el accionamiento del giro alrededor del eje secundario (5) modifica la orientación en el plano de la figura de todos los elementos del helióstato representados con la excepción del sensor 2 (15). Esto es así debido a que el sensor 2 (15) se encuentra ubicado o unido a la pieza en T que articula el movimiento según el eje secundario (5), y por ello no experimenta movimiento alrededor de éste eje. Figure 1 1 presents a view of the reflection plane, once condition 1 is met, therefore both the Sun and the objective are in the reflection plane. This figure shows the arrangement of the sensor 2 (15) and its optical system (17) when the rotation around the secondary axis (5) leads to the fulfillment of condition 2. It should be emphasized here that the actuation of the rotation around the secondary axis (5) modifies the orientation in the plane of the figure of all heliostat elements represented with the exception of sensor 2 (15). This is because the sensor 2 (15) is located or attached to the T-piece that articulates the movement along the secondary axis (5), and therefore does not experience movement around this axis.
Se hace notar que las figuras 1 a 3 corresponden al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad de la invención, las figuras 4 a 6 corresponden a la descripción estructural de la invención, las figuras 7 y 8 corresponden a la explicación del modo de funcionamiento de la invención, mientras que las figuras 9 a 1 1 son un detalle de una realización preferente de los sensores del sistema. It is noted that Figures 1 to 3 correspond to the field of application of the invention, prior art and necessity of the invention, Figures 4 to 6 correspond to the structural description of the invention, Figures 7 and 8 correspond to the explanation of the mode of operation of the invention, while Figures 9 to 1 1 are a detail of a preferred embodiment of the system sensors.
En dichas figuras las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos: In these figures the numerical references correspond to the following parts and elements:
1 . Superficie reflectante. one . Reflective surface.
2. Soporte móvil. 2. Mobile support.
3. Eje primario. 3. Primary axis.
4. Accionamiento primario. 5. Eje secundario. 4. Primary drive. 5. Secondary axis.
6. Accionamiento secundario. 6. Secondary drive.
7. Pedestal. 7. Pedestal.
8. Dispositivo de control.  8. Control device.
9. Eje cenital.  9. Zenith axis.
10. Plano de accionamiento. 10. Drive plane.
1 1 . Objetivo o receptor solar.eleven . Target or solar receiver.
12. Sol. 12. Sun
13. Torre.  13. Tower.
14. Sensor condición 1 .  14. Sensor condition 1.
15. Sensor condición 2.  15. Sensor condition 2.
16. Suelo.  16. Ground.
17. Sistema óptico  17. Optical system
18. Eje óptico  18. Optical axis
19. Rayo principal desviado 19. Deviated main beam
20. Plano de reflexión. 20. Plane of reflection.
21 . Plano principal de la óptica 22. Rayo principal incidente. twenty-one . Main plane of the optics 22. Main beam incident.
23. Rayo principal reflejado. 23. Main beam reflected.
24. Superficie opaca 24. Opaque surface
25. Superficie sensible 25. Sensitive surface
26. Superficie reflectante secundaria 26. Secondary reflective surface
27. Rayo secundario incidente 27. Incident secondary beam
Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention
La figura 1 muestra una planta termosolar de receptor central, donde se ha representado un detalle de la zona de la torre en que se ubica el receptor solar. Figure 1 shows a central receiver solar thermal plant, where a detail of the area of the tower in which the solar receiver is located has been represented.
En la figura 2 se muestra el montaje convencional de un helióstato. Obsérvese como el eje primario (3) se introduce en el pedestal (7), mientras que el eje secundario (5) es "arrastrado" por el propio eje primario (3). Figure 2 shows the conventional assembly of a heliostat. Note how the primary axis (3) is inserted into the pedestal (7), while the secondary axis (5) is "dragged" along the primary axis (3) itself.
La solución propuesta pasa por inclinar el eje primario para que apunte al objetivo (1 1 ). The proposed solution involves tilting the primary axis so that it points to the objective (1 1).
La realización preferente se representa en la figura 3, donde se puede observar que el sistema consta de una estructura fija formada por un pedestal (7) que puede ser de acero u hormigón, y el eje principal (3), siendo éste regulable en elevación y orientación horizontal para apuntar al objetivo (1 1 ). Esta regulación se realiza para cada helióstato y en una única ocasión al ser instalado el sistema, ya que a partir de esta regulación inicial el eje principal (3) permanece fijo en el espacio a lo largo del tiempo. También consta de una superficie reflectante (1 ), la cual se apoya en un soporte móvil (2) que impide la deformación de dicha superficie y a su vez permite el movimiento por el que la reflexión de la energía solar alcanza el receptor. Estos movimientos son producidos por un sistema de accionamiento compuesto por dos actuadores independientes (4) y (6), de los cuales en esta realización preferente y sin carácter limitante el actuador principal (4) es un actuador lineal mientras que el actuador secundario es un actuador rotatorio, siendo ambos los que permiten el apunte del helióstato. Completan el sistema un conjunto de sensores de reflexión (14) y (15), representados en las figuras de detalle 9, 10 y 1 1 , y un dispositivo de control que se encarga de que en todo momento la energía reflejada por el helióstato alcance el receptor (1 1 ). The preferred embodiment is shown in Figure 3, where it can be seen that the system consists of a fixed structure formed by a pedestal (7) that can be made of steel or concrete, and the main axis (3), which is adjustable in elevation and horizontal orientation to aim at the objective (1 1). This regulation is carried out for each heliostat and on a single occasion when the system is installed, since from this initial regulation the main axis (3) remains fixed in space over time. It also consists of a reflective surface (1), which is supported by a mobile support (2) that prevents deformation of said surface and in turn allows the movement through which the reflection of solar energy reaches the receiver. These movements are produced by a drive system composed of two independent actuators (4) and (6), of which in this preferred and non-limiting embodiment the main actuator (4) is a linear actuator while the secondary actuator is a rotary actuator, both of which allow the heliostat to be pointed. The system is completed by a set of reflection sensors (14) and (15), represented in detail figures 9, 10 and 1 1, and a control device that ensures that at all times the energy reflected by the heliostat reaches the receiver (1 1).
El sistema basa su funcionamiento en realizar un giro alrededor de un eje fijo (eje principal (3)) que tiene la peculiaridad de apuntar al receptor solar u objetivo (1 1 ). The system bases its operation on making a turn around a fixed axis (main axis (3)) that has the peculiarity of aiming at the solar receiver or objective (1 1).
El segundo giro que realiza el helióstato para poder controlar el apunte del sistema se realiza según un eje perpendicular al eje principal denominado eje secundario (5). The second turn made by the heliostat to be able to control the aim of the system is carried out along an axis perpendicular to the main axis called the secondary axis (5).
La primera condición de apunte que ha de cumplir el sistema es que el plano principal de la óptica (21 ) contenga al rayo principal incidente (22), o lo que es lo mismo, que el plano principal de la óptica (21 ) sea coincidente con el plano de reflexión (20). En las figuras 6 a 8 se cumple esta condición, siendo además el plano del dibujo en el caso de la figura 6 el plano principal de la óptica (21 ). Si esta condición no se cumpliese, el rayo principal reflejado se desviaría respecto al objetivo (1 1 ). The first aiming condition to be fulfilled by the system is that the main plane of the optics (21) contains the main incident ray (22), or what is the same, that the main plane of the optics (21) is coincident with the reflection plane (20). In figures 6 to 8 this condition is fulfilled, the drawing plane being also in the case of figure 6 the main plane of the optics (21). If this condition is not fulfilled, the reflected main beam would deviate from the target (1 1).
Esta condición se satisface mediante el accionamiento primario (4) dispuesto según el eje primario (3). La segunda condición es que el rayo principal reflejado (23) sea paralelo al eje primario (3). Esta condición se consigue mediante el accionamiento secundario (6) según el eje secundario (5), y sólo es posible si se satisface la condición primera. This condition is satisfied by the primary drive (4) arranged along the primary axis (3). The second condition is that the reflected main beam (23) is parallel to the primary axis (3). This condition is achieved by the secondary drive (6) along the secondary axis (5), and is only possible if the first condition is satisfied.
La operación de ambos accionamientos sigue una estrategia independiente, pero finalmente han de cumplirse ambas condiciones. The operation of both drives follows an independent strategy, but finally both conditions must be met.
El sistema de sensores detecta si se cumplen o no las condiciones de apunte, y de no cumplirse advierte al sistema de control en qué medida o de qué manera no se cumplen las condiciones. The sensor system detects whether or not the aiming conditions are met, and if not met, warns the control system to what extent or in what way the conditions are not met.
El sistema consta de dos tipos de sensores que miden si: The system consists of two types of sensors that measure whether:
- El plano principal de la óptica (21 ) contiene al rayo principal incidente (22). - The main plane of the optics (21) contains the main incident beam (22).
- El rayo principal reflejado (23) es paralelo al eje primario (1 1 ). - The reflected main beam (23) is parallel to the primary axis (1 1).
La primera de las condiciones se monitoriza por un sensor dispuesto en la intersección del plano principal de la óptica (21 ) y el borde exterior de la superficie reflectante (1 ) y detecta en cual de las dos regiones espaciales de las definidas por el plano principal de la óptica (21 ) se encuentra el rayo principal incidente. Para una mayor claridad de este sistema, la figura 5 clarifica la ubicación referida, y la figura 9 presenta una realización preferente de este sensor. The first of the conditions is monitored by a sensor arranged at the intersection of the main plane of the optics (21) and the outer edge of the reflecting surface (1) and detects in which of the two spatial regions of those defined by the main plane from the optics (21) is the main incident beam. For greater clarity of this system, Figure 5 clarifies the referred location, and Figure 9 presents a preferred embodiment of this sensor.
La segunda de las condiciones se monitoriza por un sensor dispuesto según el eje principal que detecta en qué región del espacio de las definidas por el plano de accionamiento (10) se encuentra la imagen del Sol, tras ser redireccionada por un sistema óptico (17) ubicado en la realización preferente en el centro de la superficie reflectante (1 ) y por delante del sensor de la condición 2 (15). Este sistema esta representado en la figura 10, donde el detalle se extrae de la zona central de la superficie reflectante (1 ). Aquí existe un hueco por el que el rayo principal desviado se dirige al sensor de condición 2 (15) que para este caso es idéntico al sensor condición 1 (14) pero orientado su plano opaco (24), que es su plano de referencia, paralelo al plano de accionamiento (10). The second of the conditions is monitored by a sensor arranged along the main axis that detects in which region of the space defined by the drive plane (10) the image of the Sun is, after being redirected by an optical system (17) located in the preferred embodiment in the center of the reflective surface (1) and in front of the condition 2 sensor (15). This system is represented in Figure 10, where the detail is extracted from the central area of the reflective surface (1). Here there is a hole through which lightning Main deflected is directed to condition sensor 2 (15) which for this case is identical to condition sensor 1 (14) but oriented its opaque plane (24), which is its reference plane, parallel to the drive plane (10).
En otra configuración, no mostrada en las figuras, el cumplimiento de las dos condiciones puede realizarse con un único sensor directo, que apuntará al rayo principal incidente (22) cuando estas condiciones se verifiquen. En tal caso, el dispositivo de control (8) albergará necesariamente un sistema de control en lazo abierto que servirá de apoyo al sistema en lazo cerrado descrito en la invención. In another configuration, not shown in the figures, the fulfillment of the two conditions can be performed with a single direct sensor, which will point to the main incident beam (22) when these conditions are verified. In such a case, the control device (8) will necessarily house an open loop control system that will support the closed loop system described in the invention.
En la figura 5 se muestra una realización preferente desde el tipo de vista constructivo, en la que no se ha introducido restricción alguna en cuanto a la orientación del objetivo. El helióstato objeto de la invención comprende una superficie reflectante (1 ), capaz de girar mediante un accionamiento primario (4) alrededor de un eje geométrico primario (3) solidario de un soporte móvil (2) que, a su vez, es capaz de girar alrededor de un eje geométrico secundario (5) perpendicular al eje geométrico primario (3), mediante un accionamiento secundario (6). Ambos accionamientos (4) y (6) están gobernados por un dispositivo de control (8). El conjunto esta soportado por un pedestal (7) cuyo diseño permite el movimiento de la superficie reflectante (1 ) y del soporte móvil (2) sin interferir con el propio pedestal (7). Figure 5 shows a preferred embodiment from the type of constructive view, in which no restriction has been introduced regarding the orientation of the objective. The heliostat object of the invention comprises a reflective surface (1), capable of rotating by means of a primary drive (4) around a primary geometric axis (3) integral with a movable support (2) which, in turn, is capable of rotate around a secondary geometric axis (5) perpendicular to the primary geometric axis (3), using a secondary drive (6). Both drives (4) and (6) are governed by a control device (8). The assembly is supported by a pedestal (7) whose design allows the movement of the reflective surface (1) and the mobile support (2) without interfering with the pedestal itself (7).
En una realización particular, denominada de montaje monoposte y descrita en la figura 3, se dispone el objetivo (1 1 ) sobre el receptor de una torre (13), estando alineado el eje primario (3) de manera que atraviesa el objetivo (1 1 ). In a particular embodiment, called a single-pole assembly and described in Figure 3, the objective (1 1) is arranged on the receiver of a tower (13), the primary axis (3) being aligned so that it crosses the objective (1 one ).
El sistema de sensores permite determinar de manera independiente el comportamiento de las condiciones de reflexión expresadas anteriormente, lo que por accionamiento independiente (ambas variables de control no están ligadas lo que facilita enormemente el control de la invención) llevará al sistema de control mediante lazo cerrado a cumplir constantemente las condiciones de reflexión. Asimismo, el dispositivo de control (8) puede albergar un sistema de control en lazo abierto que trabajará en combinación con el sistema de control en lazo cerrado. La principal función de este sistema en lazo abierto será la de realizar las funciones de control ante una eventualidad, meteorológica o de cualquier otra índole, durante la cual los sensores del sistema de control en lazo cerrado no proporcionen la información necesaria. También servirá de apoyo en caso de que el heliostato disponga de un único sensor solar directo. The sensor system allows to determine independently the behavior of the reflection conditions expressed above, which by independent drive (both control variables are not linked which greatly facilitates the control of the invention) will lead to the control system by closed loop to constantly meet the conditions of reflection. Also, the control device (8) can house an open loop control system that will work in combination with the closed loop control system. The main function of this open loop system will be to perform the control functions in case of eventuality, weather or any other type, during which the sensors of the closed loop control system do not provide the necessary information. It will also support if the heliostat has a single direct solar sensor.
Este sistema en lazo abierto será, a su vez, recalibrado por el sistema de control en lazo cerrado con el fin de eliminar los errores, acumulativos con el tiempo, característicos de este tipo de sistemas de control. This open loop system will, in turn, be recalibrated by the closed loop control system in order to eliminate errors, cumulative over time, characteristic of this type of control system.
La estructura soporte móvil (2) es una estructura reticular simple con secciones longitudinales perpendiculares al eje de accionamiento y soporte que es el eje secundario (5). Un detalle de la realización preferente se puede observar en la figura 3. El eje secundario (5) es una viga de sección circular accionada por el actuador secundario (6), actuador lineal, rotando este sistema en torno a los orificios de las orejetas pertenecientes a una pieza en T, siendo el eje de dicha T (el brazo perpendicular al eje formado por los centros de las orejetas) el eje primario (3). En cierto punto de su longitud, el eje de la T quedará dividido en dos secciones, que dispondrán de giro relativo respecto a este eje primario (3) mediante una unión por cojinetes. Este giro del eje primario (3) estará accionado por el actuador primario (4). The mobile support structure (2) is a simple reticular structure with longitudinal sections perpendicular to the drive and support axis that is the secondary axis (5). A detail of the preferred embodiment can be seen in Figure 3. The secondary axis (5) is a circular section beam driven by the secondary actuator (6), a linear actuator, rotating this system around the holes of the corresponding lugs. to a piece in T, the axis of said T (the arm perpendicular to the axis formed by the centers of the lugs) being the primary axis (3). At a certain point in its length, the axis of the T will be divided into two sections, which will have relative rotation with respect to this primary axis (3) by means of a bearing connection. This rotation of the primary shaft (3) will be driven by the primary actuator (4).
Esta T a su vez se encuentra articulada según un eje horizontal perpendicular al eje primario (3) y en un punto inferior a la unión por cojinetes que permite el giro alrededor del eje primario (3). La pieza en T mencionada se articula para permitir variar la elevación del eje primario (3) en el apunte inicial, sobre una segunda pieza en T similar a la ya mencionada compuesta por dos orejetas y un eje (brazo perpendicular al eje formado por las orejetas). En este caso el eje es una única pieza a diferencia de la pieza en T mencionada con anterioridad. El eje formado por el centro de estas orejetas es el eje horizontal mencionado, alrededor del cual se articula la pieza en T inicial. Esta segunda pieza en T gira alrededor de un eje vertical respecto al pedestal (7) para permitir la orientación acimutal del eje primario (3). Ambos giros, alrededor de éste eje vertical y alrededor de las orejetas de la segunda pieza en T, son los que permiten la orientación inicial del eje primario (3) para que apunte siempre al objetivo (1 1 ). Estos dos últimos giros se impiden en el funcionamiento normal del sistema siendo utilizados simplemente para el apunte al objetivo en el momento de instalación y ajuste del sistema. This T in turn is articulated along a horizontal axis perpendicular to the primary axis (3) and at a point lower than the joint by bearings that allows the rotation around the primary axis (3). The mentioned T-piece is articulated to allow varying the elevation of the primary axis (3) at the initial point, on a second T-piece similar to that already mentioned, consisting of two lugs and an axis (arm perpendicular to the axis formed by the lugs ). In this case the shaft is a single piece unlike the T-piece mentioned above. The axis formed by the center of these lugs is the horizontal axis mentioned, around which the initial T-piece is articulated. This second T-piece rotates around a vertical axis with respect to the pedestal (7) to allow azimuth orientation of the primary axis (3). Both turns, around this vertical axis and around the lugs of the second T-piece, are those that allow the initial orientation of the primary axis (3) so that it always points to the target (1 1). These last two turns are prevented in the normal operation of the system being used simply for aiming at the objective at the time of installation and adjustment of the system.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Helióstato caracterizado por disponer de un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensores solares de reflexión, refracción o directos, control en lazo cerrado, con posibilidad de combinación con control en lazo abierto, indistintamente de la solución de la óptica reflectante principal, habiéndose previsto que el sistema de control en lazo cerrado, que mantiene el helióstato apuntando en todo momento al objetivo, sea alimentado retroactivamente por las señales de los sensores solares. one . - Heliostat characterized by having a drive shaft pointing to the target, solar reflection, refraction or direct sensors, closed loop control, with the possibility of combination with open loop control, regardless of the solution of the main reflective optics, having been provided that the closed loop control system, which keeps the heliostat pointing at all times to the target, is fed retroactively by the solar sensor signals.
2. Helióstato de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por disponer de un soporte móvil (2), que gira bajo la acción de un accionamiento primario (4) respecto a un eje primario (3) coincidente con la dirección de apunte al objetivo (1 1 ), y sobre el que va montada la superficie reflectante (1 ) de muy alta reflectividad que gira bajo la acción de un accionamiento secundario (6) respecto a un eje secundario (5) perpendicular tanto al eje primario (3) como al plano principal de la óptica (21 ). 2. Heliostat according to claim 1, characterized by having a mobile support (2), which rotates under the action of a primary drive (4) relative to a primary axis (3) coinciding with the direction of aiming at the target ( 1 1), and on which the reflective surface (1) of very high reflectivity is mounted, which rotates under the action of a secondary drive (6) with respect to a secondary axis (5) perpendicular to both the primary axis (3) and the main plane of the optics (21).
3. Helióstato de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por disponer de un sensor solar (14) que se sitúa preferentemente en el contorno de la superficie reflectante (1 ) y es solidario a la misma, y dispone de una superficie opaca (24) que actúa como plano de referencia y dos superficies sensibles (25) a la energía solar incidente. 3. Heliostat according to claim 1, characterized by having a solar sensor (14) that is preferably located on the contour of the reflective surface (1) and is integral with it, and has an opaque surface (24) which acts as a reference plane and two sensitive surfaces (25) to incident solar energy.
4. Helióstato de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por disponer de un sensor solar (15) que se sitúa en el centro de la superficie reflectante (1 ) girando exclusivamente alrededor del eje primario (3) permaneciendo en todo momento su superficie opaca (24) paralela a este eje y al eje secundario (5). El sensor recibe la radiación solar tras el reflejo de la misma en un sistema óptico (17), formado por una superficie reflectora secundaria (26). Esta superficie reflectante secundaria (26) es perpendicular a la superficie reflectante (1 ) del helióstato, y contiene el eje secundario del mismo. 4. Heliostat according to claim 1, characterized in that it has a solar sensor (15) that is located in the center of the reflective surface (1) rotating exclusively around the primary axis (3), at all times remaining its opaque surface ( 24) parallel to this axis and the secondary axis (5). The sensor receives solar radiation after its reflection in an optical system (17), formed by a secondary reflecting surface (26). This secondary reflective surface (26) is perpendicular to the reflective surface (1) of the heliostat, and contains the secondary axis thereof.
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