Sistema para direccionar radiación incidente.

Un sistema para direccionar radiación incidente desde una fuente hasta un objetivo

, comprendiendo el sistema:

un reflector para reflejar la radiación incidente, teniendo el reflector un eje óptico,

un generador de imágenes conectado al reflector, en el que el generador de imágenes está conectado al lado no reflectante del espejo en alineamiento con una abertura,

un controlador de seguimiento acoplado al generador de imágenes, y

uno o más actuadores conectados al reflector y al controlador de seguimiento;

en el que el controlador de seguimiento está configurado para:

i) recibir datos de imagen desde el generador de imágenes,

ii) detectar proyecciones tanto de fuente como de objetivo en base a los datos de imagen, y

iii) activar el reflector de modo que su eje bisecte las posiciones angulares de la fuente de radiación y del objetivo.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2008/004077.

Solicitante: ESOLAR, INC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 130 WEST UNION STREET PASADENA, CA 91103 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: REZNIK, DAN, HICKERSON,KEVIN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION > PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN... > Utilización del calor solar, p. ej. colectores de... > F24J2/38 (comportando dispositivos de seguimiento (F24J 2/02, F24J 2/06 tienen prioridad; soportes rotativos o montaje para dichos dispositivos F24J 2/54; estructuras de soporte de módulos fotovoltaicos para producción de energia eléctrica especialmente adaptados para sistemas de seguimiento solar H02S 20/32))

PDF original: ES-2534037_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema para direccionar radiación incidente CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere en general a una técnica para configurar un heliostato para seguir la pista del sol. En particular, la invención se refiere a un sistema y un método que utilizan un generador de imágenes de dos dimensiones montado integralmente en el heliostato para apuntar un espejo u otro elemento óptico con el fin de dirigir la luz reflejada hacia un receptor.

TÉCNICA ANTERIOR

En algunas plantas de energía solar térmica, se pueden emplear numerosos heliostatos para reflejar luz hacia un receptor. Los espejos de cada uno de los heliostatos deben ser continuamente reposicionados con el fin de tener en cuenta el movimiento del sol. Los errores de rastreo deben ser extremadamente pequeños en plantas de gran potencia para conseguir una alta concentración en la abertura del receptor. Cuando se instalan heliostatos, sin embargo, se sabe que la precisión con la que se conoce la localización y la orientación del heliostato es generalmente insuficiente para reflejar de forma precisa la luz hasta el receptor. Se hace entonces necesaria una fase de calibración para generar mejores estimaciones de las variables de posición y orientación.

Para la calibración, las plantas de energía usan generalmente uno de entre varios sistemas: una pantalla blanca situada cerca de la abertura del receptor con una o más cámaras enfocadas al receptor, o múltiples cámaras situadas cerca de la abertura mirando hacia los heliostatos. En el primer sistema, cada heliostato redirige luz hasta una o más pantallas blancas situadas en las proximidades del receptor. Se utiliza una cámara externa para posicionar la luz reflejada de dicho heliostato y determinar el error de alineamiento en base a la diferencia entre posiciones esperadas y medidas. Solamente se puede calibrar un pequeño número de heliostatos a la vez puesto que sus imágenes reflejadas se proyectan sobre la misma pantalla blanca. Las desventajas de este sistema incluyen: (a) un tiempo de calibración demasiado largo puesto que debe ser calibrado un gran número de espejos en serie; (b) caracterización incompleta de la postura del heliostato puesto que la señal de error está esencialmente en el plano del receptor, (c) dependencia del control centralizado y conectividad con este último, (d) funcionamiento en bucle abierto tras la calibración, lo cual no es robusto con respecto a las variaciones de las coordenadas y la orientación de la base del heliostato (por ejemplo, debido a desplazamientos del terreno, terremotos, etc.).

En un segundo sistema de la técnica anterior, múltiples cámaras montadas cerca del receptor controlan el heliostato en bucle cerrado. En una implementación, se posicionan cuatro cámaras en el receptor, a saber, una en la derecha, en la parte de arriba, en la izquierda y en la parte baja de la abertura del receptor. Cada cámara está enfocada en el campo del heliostato, puesto que la óptica de cada cámara es bastante cercana a un agujero de alfiler, distintos heliostatos enfocados a una cámara dada formarán una imagen a modo de un punto brillante distinto en el plano de cámara. Así, varios heliostatos pueden formar imágenes en paralelo, superando la limitación de serie de la técnica anterior basada en pantalla blanca. Los heliostatos pueden ser por tanto apuntados en bucle cerrado, a saber, las cámaras pueden guiar un heliostato dado para que apunte a una abertura de receptor exactamente entre las mismas. Éste sistema, sin embargo, plantea varias dificultades prácticas. En primer lugar, las cámaras circundantes deben estar sumamente cerca de la abertura del receptor, incrementado de ese modo la posibilidad de daños en las cámaras si se exponen a flujos concentrados. En segundo lugar, cada cámara debe estar capacitada para proporcionar imágenes del campo completo (lo que requiere un campo de visión muy amplio) y resolver todos los heliostatos (lo que requiere una resolución muy fina), lo cual es especialmente difícil para campos con un número muy grande de pequeños heliostatos.

Existe por lo tanto una necesidad de un sensor robusto práctico, de bajo coste, y un sistema de rastreo de heliostato descentralizado que permita que cada uno de una gran batería de heliostatos refleje de manera precisa la luz del sol hasta un receptor, especialmente cuando los espejos del heliostato están densamente poblados y a una gran distancia del receptor.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención, en una realización, materializa un sistema para direccionar radiación incidente desde una fuente hasta un objetivo. El sistema incluye un reflector para reflejar la radiación incidente; un generador de imágenes conectado al reflector, teniendo el generador de imágenes una abertura (tal como un agujero de alfiler o lente) y un plano de generación de imágenes; un controlador de seguimiento acoplado al generador de imágenes; y uno o más actuadores conectados al reflector y al controlador de seguimiento. El controlador de seguimiento está configurado para recibir datos de imagen desde el generador de imágenes, determinar posiciones angulares de una fuente de radiación y un objetivo en relación con el reflector en base a los datos de imagen; y orientar el reflector con su eje bisecando las posiciones angulares de la fuente de radiación y el objetivo. El reflector puede ser un espejo que redirija la luz del sol hasta un receptor en base a los datos de imagen procedentes de una cámara de agujero de alfiler o de otro generador de imágenes digitales. En general, el eje óptico de la cámara está sustancialmente

alineado con el vector normal a la superficie reflectora de modo que el sol y el receptor aparecen en puntos antípodas con respecto al centro del campo de visión de la cámara. Para incrementar la precisión del seguimiento, sin embargo, el controlador de seguimiento, en algunas realizaciones, orienta el espejo en base a un punto de referencia que compense la desviación entre el vector normal al espejo y el eje óptico de la cámara. En esta configuración, la normal al espejo biseca sustanclalmente los vectores de dirección del receptor y del sol, presentando el receptor y el sol en posiciones sustancialmente antípodas con respecto al punto de referencia calibrado. Orientando el espejo para mantener la relación antípoda del sol y del receptor, el heliostato puede seguir el rastro de forma efectiva del sol usando un simple algoritmo de seguimiento. Puesto que cada heliostato mide la posición angular del sol y del recetor por su propia cuenta, cada heliostato puede ejecutar de manera independiente operaciones de rastreo con su propio controlador de seguimiento incorporado. Esto evita la necesidad de un controlador central que coordine una pluralidad de heliostatos típicos de la técnica anterior descrita en lo que antecede.

En algunas realizaciones, la invención comprende un método de seguimiento del sol con un heliostato, incluyendo el heliostato un generador de imágenes montado en un espejo. El método incluye: calibrar el generador de imágenes compensando el desalineamiento inherente del eje óptico del generador de imágenes con el vector normal al espejo; capturar una imagen que incluya el sol y un receptor con el generador de imágenes; localizar puntos de imagen correspondientes al sol y al receptor en la imagen capturada; accionar el espejo para alinear el espejo con una orientación en la que su punto de referencia calibrado este entre los puntos antípodas correspondientes al sol y al receptor en la imagen capturada, que oriente de forma efectiva el espejo con un ángulo que biseca el ángulo entre vectores de posición para el sol y el receptor en un sistema de coordenadas con centro en el heliostato.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La presente invención ha sido... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1.- Un sistema para direccionar radiación incidente desde una fuente hasta un objetivo, comprendiendo el sistema: un reflector para reflejar la radiación incidente, teniendo el reflector un eje óptico,

un generador de imágenes conectado al reflector, en el que el generador de imágenes está conectado al lado no

reflectante del espejo en alineamiento con una abertura,

un controlador de seguimiento acoplado al generador de imágenes, y

uno o más actuadores conectados al reflector y al controlador de seguimiento;

en el que el controlador de seguimiento está configurado para:

i) recibir datos de imagen desde el generador de imágenes,

ii) detectar proyecciones tanto de fuente como de objetivo en base a los datos de imagen, y

iii) activar el reflector de modo que su eje bisecte las posiciones angulares de la fuente de radiación y del objetivo.

2.- El sistema de la reivindicación 1, en el que el reflector es un espejo,

3.- El sistema de la reivindicación 2, en el que el generador de imágenes es una cámara digital.

4.- El sistema de la reivindicación 3, en el que la cámara digital es una cámara de abertura estrecha.

5.- El sistema de la reivindicación 1, en el que el controlador de seguimiento está configurado además para determinar las posiciones de la fuente y del objetivo con respecto a un punto de referencia calibrado en base a los datos de imagen, en el que el punto de referencia calibrado corresponde al eje del reflector.

6.- El sistema de la reivindicación 5, en el que el eje óptico del espejo no coincide con el eje óptico del generador de Imágenes.

7.- El sistema de la reivindicación 6, en el que el punto de referencia calibrado no coincide con un centro del campo de visión del generador de imágenes.

8.- El sistema de la reivindicación 1, que comprende además una placa de filtro intercalada entre el reflector y el generador de imágenes.

9.- El sistema de la reivindicación 8, en el que la placa de filtro, el generador de imágenes y el controlador de seguimiento están encapsulados sobre el espejo.

1.- El sistema de la reivindicación 1, que comprende además una lente gran angular acoplada al generador de imágenes.

11.- El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un mecanismo de filtrado adaptativo para atenuar selectivamente la radiación procedente del sol.

12.- El sistema de la reivindicación 11, en el que el mecanismo de filtrado adaptativo está configurado para moverse a efectos de compensar el movimiento del sol, del objetivo, o una combinación de los mismos.

13.- El sistema de la reivindicación 1, en el que el controlador de seguimiento está configurado para recibir instrucciones de seguimiento mediante un enlace de comunicación óptica.

14.- El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un dispositivo de comunicación inalámbrica para recibir instrucciones de seguimiento.

15.- El sistema de la reivindicación 14, en el que las instrucciones de seguimiento comprenden instrucciones de seguimiento de bucle abierto e instrucciones de seguimiento de bucle cerrado.