Desarrollo de una nueva metodología para corregir la deriva en heliostatos

Autor: Alejandro Martínez, IMDEA Energía

Los heliostatos son los concentradores solares que se emplean en las centrales solares de torre central. Se componen de uno o varios espejos, denominados facetas, anclados a una estructura que sigue al sol mediante un sistema de seguimiento de doble eje. Su objetivo es reflejar la radiación solar y dirigirla al receptor, situado en la parte más alta de la torre, para generar calor y producir, por ejemplo, electricidad. Uno de los principales problemas de este tipo de concentradores es la deriva o error de apunte dependiente del tiempo, lo que produce que la luz reflejada por el heliostato se desplace por el receptor a lo largo del día. La deriva influye negativamente en la eficiencia óptica del concentrador al producir perdidas por desbordamiento, por lo que su conocimiento y estudio resultan de gran interés para poder minimizar sus efectos adversos. Con dicho fin, la Unidad de Procesos de Alta Temperatura (UPAT) del Instituto IMDEA Energía ha desarrollado una nueva metodología que permite corregir la deriva.

La deriva se produce por desalineaciones en la estructura del heliostato, como que el pedestal no esté completamente vertical, que esté ligeramente rotado, que los dos ejes del sistema de seguimiento no sean perpendiculares, etc. La Fig. 1 muestra todas las desalineaciones posibles para un heliostato con sistema de seguimiento basado en alabeo-cabeceo. Tradicionalmente, la deriva se corrige sin conocer la causa que la produce. Para ello, la deriva es evaluada para después calcular las correcciones dependientes del tiempo que deben aplicarse a los motores capaces de corregirla. Esta forma de corrección obliga a evaluar la deriva con cierta periodicidad, ya que la deriva variará dependiendo de la posición del sol. Por el contrario, la metodología desarrollada por la UPAT se basa en la determinación de todas las desalineaciones de la estructura del heliostato para después resolver el sistema de ecuaciones del seguimiento solar teniéndolas en cuenta. Dado que las desalineaciones de la estructura no dependen del tiempo, tan solo es necesario determinarlas una vez.

Figura 1: Heliostato del campo solar de IMDEA Energía (izquierda) y esquema con las posibles desalineaciones de su estructura (centro y derecha)

Esta nueva metodología se divide en dos partes. La primera emplea el uso de un inclinómetro biaxial para determinar la posible falta de perpendicularidad de los ejes del sistema de seguimiento y la posible inclinación del pedestal. Con el inclinómetro se determinan además las relaciones ángulo-elongación de los motores. La segunda parte consiste en evaluar la deriva y obtener las desalineaciones de la estructura restantes que no se pueden determinar con el inclinómetro. La clave de esta metodología es dividir el problema en dos, ya que el número de parámetros a determinar es demasiado elevado para hacerlo solo mediante el análisis de la deriva. Esta metodología ha sido aplicada a 7 heliostatos del campo solar ubicado en el instituto IMDEA Energía, logrando corregir la deriva durante 8 horas tal y como se muestra en la Fig. 2.

Figura 2: Curvas de deriva de uno de los 7 heliostatos antes y después de corregirla. La imagen de la izquierda muestra la deriva sobre el receptor y la imagen de la derecha muestra sus dos componentes, horizontal y vertical, en función del tiempo

Los resultados de esta investigación han sido presentados en la pasada edición del congreso internacional SolarPACES 2021 y se enmarca en las actividades del programa de investigación ACES2030-CM y el proyecto europeo H2020 SFERA-III.

Referencias

Martínez-Hernández, A., Gonzalo, I. B., Romero, M., González-Aguilar, J. (2020). Drift analysis in tilt-roll heliostats. Solar Energy, 211, 1170-1183.

Martinez Hernandez, A., Conceição, R., Romero, M. Gonzalez-Aguilar, J. Heliostat Drift Correction by Parametrized Analysis, en SolarPACES2021 (online), contribución oral.

Contacto

Alejandro Martínez, Investigador del grupo IMDEAE-UPAT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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