ES2529141A1 - Heliostato y sistema de plegamiento caracterizado para favorecer el factor coseno y proteger frente a inclemencias atmosféricas - Google Patents

Abstract

La presente invención está basada en un nuevo modelo de heliostato preparado para realizar maniobras de pliegue-despliegue con el fin de protegerse frente a inclemencias medioambientales y atmosféricas. A su vez, cada superficie reflectante de las que está compuesto junto con el sistema de posicionamiento y orientación, lo capacita para poder rotar en un mayor número de ejes de giro que los modelos convencionales. Todo ello le permite favorecer el factor coseno y en consecuencia aumentar la eficiencia energética tanto de las centrales termosolares de tipo torre como de cualquier otra instalación en la que se sitúe. Otras ventajas asociadas a este modelo es que gracias a su diseño se minimizan los costes de mantenimiento y la superficie ocupada por el campo solar ya que puede instalarse indistintamente en una central termosolar de geometría fija como en una geometría variable.

Description

Heliostato y sistema de plegamiento caracterizado para favorecer el factor coseno y proteger frente a inclemencias atmosféricas.

Sector de la técnica

La invención se encuentra dentro del sector técnico de las energías renovables, en concreto dentro del campo de la energía solar térmica.

Estado de la técnica

En la actualidad, se pueden encontrar diversos modelos de heliostatos diseñados para concentrar la radiación solar incidente sobre ellos en un receptor termosolar, capaz de transformar la energía solar en energía térmica.

La presente invención desarrolla un sistema mecánico novedoso de pliegue-despliegue capaz de dotar al heliostato con un mayor grado de libertad que los modelos actuales para realizar la maniobra de posicionamiento y orientación a la vez que le permiten protegerse ante inclemencias atmosféricas.

Hasta la fecha no se conoce un sistema similar que proporcione iguales prestaciones, por ello este diseño engloba todas las posibles ejecuciones estructurales que adopten similares condiciones de movimiento y operación, a la vez que engloba cualquier tipo de configuración geométrica que pudieran tener las superficies reflectantes y la célula fotovoltaica.

A medida que transcurre la jornada la energía solar varía su ángulo de incidencia debida al movimiento aparente del Sol, lo que implica que el heliostato deba corregir su posición y orientación de manera continuada a lo largo de la jornada sí se pretende lograr concentrar la mayor cantidad de radiación solar sobre el receptor.

Uno de los diferentes parámetros que están siendo investigados para favorecer la eficiencia energética de una central termosolar con receptor de tipo torre es el denominado factor coseno. Se trata de obtener, mediante una buena orientación del heliostato, el mayor valor del coseno del ángulo que forma la radiación incidente en la superficie reflectante con la radiación reflejada en el receptor. Lo que se pretende es conseguir que el área efectiva de reflexión del heliostato sea máxima, lo que proporciona que al receptor le pueda llegar una mayor cantidad de radiación solar.

Otro de los parámetros estudiados son los sistemas de limpieza de las superficies reflectantes. Gracias a ellos los heliostatos pueden reflejar mayor radiación solar dado que poseen una superficie libre de impurezas.

Descripción detallada de la invención

De aquí en adelante se usará indistintamente la nomenclatura de los componentes tal y como se indican en la tabla incluida en el apartado de visualización de las figuras. La tabla que muestra los conjuntos que conforman las piezas se encuentra también incluida en el mismo apartado que las figuras, así como también existe otra tabla que define las distintas maniobras que pueden realizar los diferentes conjuntos.

La presente invención incluye un nuevo diseño de heliostato capaz de favorecer el factor coseno mediante la mejora en el sistema de orientación, además posee un sistema de protección contra inclemencias medioambientales y atmosféricas. Este modelo es capaz de aumentar la eficiencia energética de la central termosolar, además de reducir los costos de mantenimiento y limpieza de la superficie reflectante.

El heliostato está compuesto por una serie de superficies reflectantes (1) y una célula fotovoltaica (3). Las primeras son las encargadas de reflejar la radiación solar incidente. La célula fotovoltaica (3), por su parte, se encarga de proporcionar energía eléctrica que puede ser usada bien para favorecer el posicionamiento de los heliostatos así como su orientación, o bien para realizar la maniobra de pliegue-despliegue (maniobra 1), o si se prefiere se puede utilizar como un complemento de la central termosolar de tal manera que le ayude a aumentar su capacidad de generación de energía eléctrica.

Este tipo de sistemas autónomos, que permiten al heliostato autoabastecerse de energía, se han desarrollado anteriormente, de manera similar, en determinadas patentes como la ES 2 155 031 B1. En ellos aparte del abastecimiento energético se pretende calcular la orientación específica del equipo de tal manera que lo haga lo más eficiente posible, bien de manera individual o bien de forma colectiva mediante la asistencia de un controlador central que rija los movimientos de la central solar. Este concepto lleva consigo por parte de estos dispositivos la ausencia de cualquier tipo de asistencia externa que realicen las funciones de cálculo y posicionamiento de los heliostatos.

Existe otro tipo de sistemas, el cual lo denominaremos mixto, que permite que el conjunto de heliostatos situados en el campo solar sigan las órdenes enviadas desde el control central a la vez que obedecen las suyas propias elaboradas por los diferentes dispositivos y sensores situados en el propio heliostato. En este caso la jerarquía de orden dependerá de la decisión que se tome en la propia central termosolar, pudiendo establecerse en el control central de la planta termosolar o bien en el propio heliostato mediante el cuadro de mandos situado en él. Por lo general el orden superior de jerarquía estaría en el control central, aunque en caso de emergencia ante una posible avería ocurrida durante la maniobra de pliegue-despliegue (maniobra 1) o ante un posible fallo del control central el heliostato podría recuperar el control total. El heliostato también sería capaz de realizar este tipo de maniobra (maniobra 1), de manera autónoma gracias a un operario capacitado para controlar los movimientos necesarios con ayuda de unos dispositivos de control denominado cuadro de accionamientos manuales (19) situados en el propio heliostato. De esta forma el dispositivo controlaría el proceso de orientación y posicionamiento por sí mismo así como las maniobras de pliegue-despliegue. Con ello se pretende reducir los costes en la inversión y agilizar los procesos de operación y mantenimientos de los equipos.

El nuevo diseño de heliostato es capaz de plegar unos espejos sobre otros impidiendo la deposición de suciedad sobre las superficies reflectantes a la vez que lo protege de diferentes fenómenos meteorológicos capaces de dañar los diferentes componentes del equipo.

Este nuevo concepto de heliostato se puede adaptar tanto a una central de termosolar fija como a una con geometría variable como la existente en el Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables (CETAER) en la provincia de Almería. Aparte sirve tanto para una central termosolar como para una central fotovoltaica si se cambia la superficie reflectante (1) por una superficie con células fotovoltaicas (2), pudiendo incluso acoplarse a una instalación doméstica o cualquier tipo de instalación si se fabrica con las dimensiones adecuadas.

Dado que hasta la fecha no se conoce un sistema similar que proporcione iguales prestaciones, este diseño engloba todas las posibles ejecuciones estructurales que adopten similares condiciones de movimiento y operación, a la vez que engloba cualquier tipo de configuración geométrica que pudieran tener las superficies reflectantes y la célula fotovoltaica.

Descripción de los dibujos

El total de componentes que forman el heliostato se muestran en las figuras 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8y9.

En las figuras 1 y 2 se pueden ver diferentes perspectivas de los sistemas que componen el mecanismo de orientación y despliegue. Éste está compuesto diversos brazos extensibles (conjuntos 3 y 4) y de varios sistemas de rotación (conjuntos 3, 4, 5 y 6). Todos ellos dotan a cada grupo formado por la superficie reflectante (1) y la superficie de protección (2) (conjunto 1) con cuatro ejes de giro necesarios para realizar la maniobra de orientación con respecto a la posición del Sol, en vez de los dos ejes que poseen los modelos actuales. A parte de los cuatro ejes de giro mencionados con anterioridad, se le añade otro más ideado para realizar una maniobra de pliegue-despliegue (maniobra 1) con el fin de proteger al heliostato de factores ambientales.

En las figuras 3 y 4 se puede apreciar los conjuntos 1 formados por las diferentes superficies reflectantes (1), cada una de ellas acopladas a una superficie de protección

(2) de tal manera que cuando ésta sea abatida, se invierte la posición de ambas superficies. De esta forma la superficie de protección (2), al estar situada sobre la superficie reflectante (1) puede protegerla frente a impactos o ante cualquier otro tipo de deterioro. En las mismas figuras se pueden ver también el conjunto 2 formado por la célula fotovoltaica (3) y la superficie de protección (2), aparte del soporte principal (17), el sensor del heliostato (18) y del cuadro de accionamientos manuales (19) incluidas en la figura 4.

En la figura 5 se puede ver el brazo extensible primario (conjunto 3) anclado al soporte central (4). Este brazo extensible permite la separación del conjunto 1 con respecto al conjunto 2, formado por la célula fotovoltaica (3) y la superficie de protección (2), siguiendo el eje longitudinal de dicho brazo y gracias a su sistema de prolongación compuesto por dos piezas, brazo extensible principal (5) y prolongación del brazo extensible principal (6) (maniobra 2). Está provisto en su extremo de un mecanismo de giro situado en el interior de la pieza (6), denominado mecanismo de giro del brazo extensible principal (7), que realiza un movimiento circular (maniobra 3) que permite al conjunto superficie reflectante-superficie de protección (conjunto 1) poder ejecutar una maniobra de pliegue-despliegue (maniobra 1) ante una posible avería, es decir, en caso de que uno de estos conjuntos (conjunto 1.a) se encuentre situado debajo de otro (conjunto 1.b) que impida su despliegue, el mecanismo de giro del brazo extensible principal (7), permitirá que el conjunto inferior (conjunto 1.a) realice un movimiento circular sobre su propio plano (maniobra 3) haciéndolo girar en torno al eje formado por el mecanismo de giro del brazo extensible principal (7), situándolo de tal manera que una vez posicionado fuera del alcance del conjunto averiado (conjunto 1.b) pueda completar su maniobra de despliegue (maniobra 1).

En las figuras 6 y 7 aparece el brazo extensible secundario (conjunto 4), el cual conecta el brazo extensible primario (conjunto 3) con el sistema de abatimiento (conjunto 5) de cada conjunto superficie reflectante-superficie de protección (conjunto 1). Realiza una doble función, la primera es alzar verticalmente al conjunto 1 (maniobra 4) una vez separado de la zona central (conjunto 2), de tal manera que alcance la altura suficiente para poder plegarlo y situarlo sobre otro conjunto 1 que ha sido abatido con anterioridad,

o bien, sobre la célula fotovoltaica (3). Decir también que el primer conjunto 1 se pliega sobre la célula fotovoltaica y el resto se van plegando de manera secuencial sobre éste, de tal forma que todos quedan protegidos. La segunda función es permitir la rotación de la superficie reflectante junto con la superficie de protección (conjunto 1), pero a diferencia con el brazo extensible primario (conjunto 3), esta rotación (maniobra 5) tiene como finalidad realizar el primer movimiento necesario para orientar la superficie reflectante con respecto al Sol, aparte de ayudar en el posicionamiento del conjunto 1 para realizar el movimiento de abatimiento (maniobra 6).

Las figuras 8 y 9 muestran el soporte del conjunto 1 (13). Esta pieza representa el lugar donde va fijado el conjunto formado por la superficie reflectante (1) y la superficie de protección (2) (conjunto 1). Es capaz de ejecutar un segundo giro de abatimiento (maniobra 6) acorde con su eje de rotación, necesario para completar la maniobra de orientación y pliegue-despliegue (maniobra 1). Este movimiento se realiza gracias al accionamiento formado por el mecanismo de giro del soporte del espejo (11) y el dispositivo de giro del soporte del espejo (12).

Dentro de las figuras 4 y 5 se puede ver el soporte central (4). Se encuentra adosado al conjunto 2 formado por la célula fotovoltaica (3) y su superficie de protección (2), de tal forma que cuando el soporte central (4) gire y se posicione para su orientación (maniobra 7), los conjuntos 1, 3, 4 y 5 lo harán de manera solidaria con él. El soporte central (4) es el lugar al que van anclados los brazos extensibles primarios (conjunto 3).

En la parte inferior del soporte central (4) existe una pieza denominada anclaje principal (14), figura 5. El anclaje principal (14) permite el acoplamiento entre el soporte central (4) y el soporte principal (17). Es en esta parte donde se realiza el movimiento de orientación general del heliostato (maniobra 7). El conjunto formado por el soporte central (4), el anclaje principal (14), el soporte principal (17), el mecanismo de giro del anclaje principal

(15) y el mecanismo de giro del soporte principal (16) permiten realizar maniobras de orientación en torno a dos ejes de giro (maniobra 7), uno a través del eje longitudinal del mecanismo de giro del anclaje principal (15) y otro a través del eje longitudinal del mecanismo de giro del soporte principal (16).

La figura 4 muestra el soporte principal (17). Este elemento se encarga de aguantar el peso de todos los componentes anteriores. Puede anclarse al suelo, si se va a instalar en una central termosolar convencional, o a unos raíles si se pretende instalar en una central de geometría variable. O también puede anclarse en el suelo si se pretende usar este modelo de heliostato en una central fotovoltaica.

Claims (17)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Heliostato caracterizado por un sistema de pliegue-despliegue, compuestos por una célula fotovoltaica (3), superficies reflectantes (1), superficies de protección (2), por brazos extensibles (conjuntos 3 y 4) y de varios sistemas de rotación (conjuntos 3, 4, 5 y 6), cuya función es doble realizar una maniobra de plegado-desplegado (maniobra 1) de las superficies reflectantes (1) de tal forma que se protejan tanto ellas como al resto del heliostato ante posibles inclemencias atmosféricas de diversos tipos, a la vez que favorecer el factor coseno con el fin de aumentar la radiación solar que se refleja en el receptor de la central termosolar.

2. 2.

   Heliostato de acuerdo con la reivindicación 1, posee un sistema reflectante compuesto por una superficie reflectante (1) unida a una superficie de protección (2), de mayor resistencia, (conjunto 1) cuya finalidad es la de proteger a la superficie reflectante (1) y frente a impactos y ante cualquier posible inclemencia atmosférica.

3. 3.

   Heliostato de acuerdo con la reivindicación 1 y 2, se le ha instalado una célula fotovoltaica encargada de generar la energía eléctrica necesaria para accionar los diferentes sistemas de los que está compuesto el heliostato, a la vez que puede utilizarse para abastecer a la central termosolar o fotovoltaica de energía. Esta célula unida a una superficie de protección (2), formando lo que se conoce como conjunto (2). Este conjunto que se encuentra anclado a otra pieza denominada soporte central (4). Cuando se lleva a cabo la maniobra 1 el conjunto 2 se encuentra protegido por las superficies de protección (2).

4. 4.

   Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, dispone de un sistema de pliegue-despliegue compuesto por un número de brazos extensibles primarios (conjunto 3) los cuales van anclados al soporte central (4). Dichos brazos extensibles están compuestos por brazos extensibles principales (5), por la prolongación del brazo extensible principal (6) y por mecanismos de giro del brazo extensible principal (7).

5. 5.

   Heliostato de acuerdo con la reivindicación 4, dispone de diversos brazos extensibles primarios (conjunto 3) capaces de desarrollar un movimiento longitudinal con respecto a su eje principal (maniobra 2), permitiendo la separación del grupo formado por la superficie reflectante (1) y la superficie de protección (2) (conjunto 1) y al resto de componentes que conforman el sistema de plegamiento (conjuntos 4 y 5), del soporte central (4) y del conjunto 2.

6. 6.

   Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones 4 y 5, incluye en el extremo de la pieza denominada prolongación del brazo extensible principal (6) un mecanismo de giro situado en su interior denominado mecanismo de giro del brazo extensible principal (7). Este mecanismo se encarga de realizar un movimiento circular (maniobra 3) capaz de hacer girar, en torno al eje longitudinal de la parte inferior del brazo extensible secundario (8), al conjunto 1 en caso de que se produzca una avería que impida que uno de estos conjuntos (conjunto 1.a) no pueda realizar la maniobra de pliegue despliegue (maniobra 1). Este problema puede ser debido porque otro conjunto similar a éste (conjunto 1.b) y situado por encima de él le impida realizar dicho movimiento, o bien por cualquier otro motivo. La finalidad de esta maniobra (maniobra 3) es posicionar al conjunto superficie reflectante-superficie de protección (conjunto 1.a) fuera del alcance del elemento averiado (conjunto 1.b) y así poder completar la maniobra pliegue-despliegue (maniobra 1). Este movimiento (maniobra 1) puede realizarse siguiendo procedimientos

   secuenciales, o bien realizar la maniobra de una sola vez siempre y cuando se realicen de manera que puedan plegarse o desplegarse total o parcialmente el conjunto de superficies reflectantes (conjuntos 1) y se eviten colisiones entre ellas.

7. 7.

   Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 4, está dotado de brazos extensibles secundarios (conjunto 4), compuestos por las piezas denominadas parte inferior del brazo extensible secundario (8), parte superior del brazo extensible secundario (9) y el mecanismo de giro del brazo extensible secundario (10). Se encuentra conectado por un extremo por el brazo extensible primario (conjunto 3), en su parte inferior, por donde recibe la maniobra de giro mencionada en la reivindicación 6 (maniobra 3), y en su parte superior por el sistema de abatimiento (conjunto 5) de cada conjunto superficie reflectante

   (1) -superficie de protección (2) (conjunto 1). Su función a realizar es doble:

   a) Por una parte alza verticalmente al conjunto 1 (maniobra 4) hasta alcanzar la altura suficiente para poder realizar la maniobra pliegue-despliegue (maniobra 1) y de esa manera poder situarlo sobre otro conjunto 1 que haya sido abatido con anterioridad,

   o en caso de que fuera el primero, sobre la célula fotovoltaica (3).

   b) Por otra, permite la rotación de la superficie reflectante (1) junto con la superficie de protección (2) (conjunto 1), con el fin de realizar uno de los movimientos necesarios de orientación de la superficie reflectante con respecto al Sol (maniobra 5) y de esa manera aumentar la magnitud de la radiación solar reflejada.

8. 8.

   Heliostato de acuerdo con la reivindicación 1, 2 y 3, incluye un conjunto de piezas que conforman el sistema de abatimiento (conjunto 5). Dicho mecanismo está compuesto por el soporte del conjunto 1 (13), el mecanismo de giro del soporte del espejo (11) y el dispositivo de giro del soporte del espejo (12). El soporte del conjunto 1 (13) va fijado al propio conjunto 1. Gracias al accionamiento de este grupo de piezas se realiza un segundo giro de abatimiento acorde con su eje de rotación (maniobra 6), necesario para completar la maniobra de orientación y de pliegue-despliegue (maniobra 1).

9. 9.

   Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, contiene un soporte central

   (4) que se encuentra adosado al conjunto formado por la célula fotovoltaica (3) y la superficie de protección (2) (conjunto 2). Cuando esta pieza realiza una maniobra de orientación para posicionar a la célula fotovoltaica en la mejor disposición para captar la mayor cantidad de energía solar (maniobra 7), el resto de componentes mencionados en las anteriores reivindicaciones, así como los sensores del heliostato (18), se desplazan de manera solidaria a él (4). El soporte central (4) es el lugar físico donde van posicionados los brazos extensibles primarios (conjunto 3).
10. 10. Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, posee un soporte principal

    (17) encargado de aguantar el peso de los distintos componentes del heliostato. Posee la capacidad de poderse instalar tanto en una central termosolar convencional, como también fijarse a unos raíles que permitan su desplazamiento en una central de geometría variable.

11. 11.

    Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3, y 10, dispone de un anclaje principal (14) el cual hace de unión entre el soporte central (4) y el soporte principal (17). Gracias al mecanismo de giro del anclaje principal (15) y al mecanismo de giro del soporte principal (16) son capaces de hacer rotaciones en dos ejes distintos, ambos son los ejes longitudinales de dichos componentes, (maniobra 7) necesarios para realizar una

    orientación adecuada del heliostato acorde con la posición del Sol.

12. 12.

    Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, incluye una serie de sensores (18) capaces de calcular el movimiento aparente del Sol, para poder adquirir una mejor posición y orientación con respecto a la dirección de la radiación solar con el fin de favorecer el factor coseno. Así como a su vez permiten conocer los factores climáticos para en caso de que sean adversos el heliostato pueda proceder a realizar la maniobra de pliegue-despliegue (maniobra 1) para protegerse a sí mismo y a las superficies reflectantes (1).

13. 13.

    Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, incluye un cuadro de accionamientos (19) en el cual un operario puede manipular la totalidad de conjuntos mencionados con anterioridad (conjuntos 1, 2, 3, 4, 5 y 6) y realizar las maniobras descritas (maniobras 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) con el fin de realizar las tareas de mantenimiento que precise el heliostato.

14. 14.

    Heliostato de acuerdo con la reivindicación 13, predispone que el cuadro de accionamientos manuales (19) pese a que se encuentra en un primer momento anclado al soporte principal (17), si se precisa puede controlarse a distancia mediante control remoto en caso de que un operario necesitara realizar una de las maniobras mencionadas con anterioridad y no pudiese controlar el transcurso de ella desde la posición inferior del soporte principal (17) y precisara desplazarse.

15. 15.

    Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, predispone que este modelo de heliostato puede acoplarse tanto en una central termosolar de geometría fija, como otra de geometría variable.

16. 16.

    Heliostato de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, incluye un diseño novedoso tanto de la morfología del heliostato como de su funcionamiento, incluyendo el mecanismo de pliegue-despliegue que engloba al total de sus conjuntos. Todos ellos proporcionan las características necesarias para que se pueda usar tanto en una central termosolar tipo torre o bien si se modifica el conjunto 1 y se adapta para que la superficie reflectante (1) sea una célula fotovoltaica (3) se puede utilizar para una central fotovoltaica.

17. 17.

    Heliostato de acuerdo con la reivindicación 16, justifica que su utilización puede ser concebida para cualquier tipo de viviendas así como para cualquier otro tipo de instalación, aparte de las mencionadas con anterioridad.