Helióstato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado.

Comprende una superficie reflectante (1), capaz de girar mediante un accionamiento primario (4) alrededor de un eje geométrico primario (3) que apunta al objetivo, 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 primado (3), mediante un accionamiento secundada (6). Ambos accionamientos (4) (6) están gobernados por un dispositivo de control (8).El sistema de control (8) junto con los sensores (14) (15), de los cuales uno de ellos a su vez contiene un sistema óptico (17), permite que se gobierne en modo de lazo cerrado.Los sensores detectan la posición del sol a uno u otro lado de sus respectivos planos de referencia. Uno de los sensores se colocará en la estructura móvil (2) que soporta la superficie reflectante (1) con el plano de referencia paralelo al eje geométrico primario (3). El otro sensor se unirá solidariamente a la parte móvil del sistema que gira según el eje geométrico primario (3) con el plano de referencia paralelo al eje geométrico secundado (5), y recibirá la radiación reflejada de un plano reflectante perpendicular en origen a la superficie reflectante (1) y paralelo al eje geométrico secundario (5)

Helióstato con un eje de accionamiento apuntando al objetivo, sensor de reflexión y control en lazo cerrado.

Objeto de la invención

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.

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, cilíndrica, toroidal, teselada o adoptar cualquier otra configuración geométrica.

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.

Antecedentes de la invención

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.

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.

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.

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 se elimina la necesidad de recalibración continua, y que constructivamente la aberración astigmática es mínima en sistemas de accionamiento spin-elevación.

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.

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, Nº numero de helióstatos y m²):

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Descripción de la invención

En los dispositivos ya existentes cuyo cometido es reflejar la energía proveniente del Sol hacia un objetivo se encuentran dos problemas principales:

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.

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.

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.

Todo esto es posible porque la cinemática del sistema es sustancialmente diferente a la de los anteriores dispositivos.

Al igual que en...

1. Helióstato caracterizado por disponer de un eje de accionamiento apuntando al objetivo, dos sensores solares de reflexión o refracción, control en lazo cerrado, e independiente de la solución de la óptica reflectante principal. El primer sensor solar (14) detecta la posición del rayo principal incidente (22) respecto al plano principal de la óptica (21), mientras que el segundo sensor solar (15) detecta la posición del rayo principal reflejado (23) respecto al plano de accionamiento (10). El sistema de control en lazo cerrado es alimentado retroactivamente por las señales de estos dos sensores que comparan en todo momento dichas señales y coordina los accionamientos primario (4) y secundario (6) para conseguir en todo momento la condición de apuntamiento a objetivo.

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 (11), 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).

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.

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.