BRPI0902803A2 - heliostato autÈnomo - Google Patents
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Abstract
HELIOSTATO AUTONOMO Um equipamento para utilização na área de Energia Solar em Estações tipo Torre Central, Fornos Solares etc. O equipamento inclui: um espelho (1), montado sobre uma estrutura mecânica, onze sensores de posicionamento, onze sensores áticos e dois transdutores, cujas informações sensibilizam um circuito de controle. Este circuito de controle aciona dois motores elétricos, que movimentam o espelho (1) nas direções de azimute e elevação, O Heliostato trabalha sem necessidade de informação externa,funcionando apenas com informações geradas no próprio heliostato.
Description
HELIOSTATO AUTÔNOMO
CAMPO DE INVENÇÃO
A invenção refere-se ao campo dos heliostatosautônomos, capazes de acompanhar o movimento do Sol na suatrajetória pelo céu ao longo do dia, com a finalidade derefletir a luz do Sol para um receptor de calor, de modo apromover concentração de luz solar, para fins de produçãode energia e aquecimento.
ESTADO DA TÉCNICA
No estado da técnica o mercado dispõebasicamente de dois conceitos construtivos de heliostatospara produção de energia e aquecimento, quais sejam:heliostatos não autônomos (computacionais) e heliostastosautônomos. O estado da técnica proporciona ensinamentosrelativos a equipamentos para captação de luz solar parageração de energia. O PI 0303757-6 se destina em acompanharla trajetória do Sol eletronicamente, obtendo melhorluminosidade natural, conduzindo os raios solares atravésde reflexão de espelhos e fibras ótica para iluminação emlocais onde a luz não penetra. Com este sistema podemosenviar luz e calor nas área de serviço ou mesmo em umquintal de sobra, determinar o tempo para exposição dosraios Solares sobre as roupas do varão, direcionando ofeixe direto do Sol para sua secagem mais rápida. Também noacoplamento de unidades de captação de energia Solar,resultando um rendimento total nas cargas de baterias o diainteiro. Outro documento, o PI 0412267-4 se refere a umaestrutura portátil para um elemento refletor, para uso emum sistema refletor de energia solar. A estruturacompreende elemento refletor (11), uma plataforma ondulada(12) que suporta o elemento refletor e uma ossatura (13)que suporta a plataforma. A armação estrutural compreendemembros de extremidade em forma de anel (14) que sãosuportados por roletes (18) e os roletes acomodam giro daestrutura portátil ao redor do eixo de rotação o qualcoincidente substancialmente com o eixo longitudinal doelemento refletor (11). A combinação da plataforma ondulada(12), a ossatura (13) e os membros de extremidade em formade anel (14) da armação estrutural proporcionam à estruturaportátil estabilidade torsional que permite a aplicação deacionamento de giro a partir de uma extremidade daestrutura. 0 PI 0600563-2 se refere a um, coletordirecional solar que em apenas dois elementos, conjugamsuas funções em um só complexo tecnológico, em que, comsensores óticos e energia elétrica manipulam movimentos,dando-lhes direções às placas receptoras dos raios solares,porém deverá ser geométricamente construída de formasretangulares ou a critério de mercado, este invento compropósitos de direcionar as placas coletoras, acompanhandoo sol durante o dia, trará uma economia compensadora. O PI0601296-5 se refere a uma célula solar de concentração dotipo Cassegrain que inclui os espelhos primário esecundário dispostos em superfícies convexa e côncavaopostas de um elemento óptico transparente a luz (porexemplo, vidro). A luz entra em uma abertura envolvendo oespelho secundário e é refletida pelo espelho primário emdireção ao espelho secundário, o qual reflete novamente aluz sobre uma célula fotovoltaica montada em uma regiãocentral cercada pela superfície convexa. Os espelhosprimário e secundário de preferência são formados comopelículas de espelho que são depositadas ou chapeadasdiretamente sobre o elemento óptico. Um arranjo coletorsolar de concentração inclui uma chapa tipo painel ópticoincluindo vários elementos ópticos dispostos em fileiras.As células fotovoltaicas são montadas diretamente sobre opainel óptico e os espelhos primários das células coletorasindividuais incluem segmentos de película de metal que sãoacoplados pelas células fotovoltaicas para facilitar atransmissão da energia elétrica gerada. Diodos de circuitode passagem são conectados em paralelo com as célulasfotovoltaicas. Além desses, existem outros que se referem àheliostastos, como os documentos US6899096, US7207327,BR02032 04 - 0, BR 0203201-5, ES2155031, US4215410 eUS4536847. A grande maioria das aplicações que utilizaheliostatos, normalmente faz uso de heliostatos nãoautônomos, de controle centralizado em um único computador.Este computador comanda o movimento de todos os heliostatosdo campo de heliostatos (que normalmente podem chegar acentenas ou milhares em cada planta) , com base naprevisibilidade do movimento do sol. Este sistema usa umprograma de computador (software) de alta complexidade eespelhos de grande porte. Exemplos de plantas que usam asolução computacional: Usinas PSlO e PS20, instaladaspróximas à cidade de Huelva e a Planta Solar de Almeiria,todas na Espanha. As PSlO e PS20 são usinas geradoras deenergia elétrica, ligadas à rede pública de distribuição,enquanto que a de Almeiria é uma instalação de P&D.
Os heliostatos autônomos, que são o objetodeste pedido de patente de invenção, ao contrário, têm umsistema de controle para cada Heliostato e desta formafazem uso de software de baixa complexidade e espelhos dedimensões adequadas a cada aplicação, e, portanto deimplantação e operação mais acessíveis. Exatamente, uma dascaracterísticas mais importantes desta invenção é a suagrande simplicidade, tanto do programa de computador(software) e do circuito de controle quanto da partemecânica. Isto resulta em fabricação e operação simples ede baixo custo. Por esta razão provavelmente poderá serusada nas regiões mais pobres do planeta, situadas entre ostrópicos, justamente as mais ensolaradas. Daí o seuprovável alcance social.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A fim de melhor descrever as características técnicasdo que foi desenvolvido são apresentados desenhosilustrativos a seguir relacionados, onde a:
Figura 1 - Descreve uma visão geral do Heliostato.
Figura 2 - Descreve o detalhamento da câmara escurados Sensores Apontamento.
Figura 3 - Descreve o detalhe da câmara escura dosSensores de Pré-apontamento.
Figura 3A - Descreve a câmara escura dos Sensores dePré-apontamento em corte.
Figura 4 - Descreve os detalhes do estojo dos sensoresde posicionamento de levação.
Figura 4A - Descreve os detalhes do estojo dossensores de posicionamento de azimute.
Figura 5 - Descreve os quatro sensores de apontamentoe as imagens iluminadas das janelas, na condição deapontamento.
Figura 5A - Descreve os quatro sensores de apontamentoe as imagens iluminadas das janelas numa condição dedesapontamento.
Figura 6 - Apresenta o Diagrama de Blocos do sistema.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
Os heliostatos autônomos, objetivos desta invenção têmum sistema de controle para cada heliostato, e desta formafazem uso de software de baixa complexidade e espelhos dedimensões adequadas a cada aplicação, e, portanto deimplantação e operação mais acessíveis. Exatamente, uma dascaracterísticas mais importantes desta invenção é a suagrande simplicidade, tanto do programa de computador(software) e do circuito de controle quanto da partemecânica. Isto resulta em fabricação e operação simples ede baixo custo. Por esta razão poderá ser usada nas regiõesmais pobres do planeta, situadas entre os trópicos,justamente as mais ensolaradas. Daí o seu provável alcancesocial.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A figura 1 descreve um Heliostato composto por umespelho (1), a coroa (2), a estrutura mecânica (3), o motorde elevação (4), o motor de azimute (5), os estojos dossensores de posicionamento (6), a câmara escura dossensores de apontamento (7), as câmaras escuras dossensores de pré-apontamento (8) e o Sensor de PresençaSolar (9) . A figura 2 descreve o detalhamento da câmaraescura dos Sensores Apontamento (7), mostrando o corpo dacâmara (10), o local de instalação dos sensores deapontamento (11) e as janelas da câmara, para as soluçõesde janela quadrada (12) e janela circular (13). A Figura 3descreve o detalhe da câmara escura dos Sensores de Pré-apontamento (8), a janela da câmara (15). A figura 3Ademonstra a câmara escura em corte (8A) para demonstrar olocal de instalação do sensor de pré-apontamento (14) . AFigura 4 descreve os detalhes dos estojos dos sensores deposicionamento (6), apresentando o estojo de elevação (6E) ,que contém Sensor de Fim de Curso Superior (16), SensorIntermediário Superior (17), Sensor Intermediário Médio(18), Sensor Intermediário Inferior (19), Sensor de Fim deCurso inferior (20); Sensor de Emergência de Elevação (21),eixo de elevação (22), hastes de acionamento de elevação(23); Na figura 4A estão descritos o estojo de azimute(6A) , que contém Sensor de Fim de Curso a Esquerda (24),Sensor de Quadrante Esquerdo (25), Sensor de Emergência deAzimute (26), Sensor de Quadrante Direito (27), e Sensor deFim de Curso a Direita (28), haste de acionamento deazimute (29) e eixo de azimute (30). A Figura 5 descreve osquatro sensores de apontamento (31) e as imagens iluminadasda janela quadrada (33) e da janela circular (34),projetadas sobre os quatro sensores de apontamento (31),dentro da câmara escura de apontamento (7), na condição deapontamento. A figura 5A descreve os quatro sensores deapontamento (31) e as imagens iluminadas da janela quadrada(36) e da janela circular (37) projetadas sobre os quatrosensores de apontamento (31), dentro da câmara escura deapontamento (7), numa condição de desapontamento. A figura6 apresenta o Diagrama de Blocos do sistema mostrando aentrada dos sensores óticos (38), a entrada dos sensores deposicionamento (39) e a entrada dos transdutores (40) .
O heliostato é constituído de uma estrutura mecânica(3) para suporte de um espelho (1), que permite ao espelho(1) movimentos independentes nas direções de elevação eazimute, uma segunda estrutura mecânica, separada daestrutura suporte do espelho (1), provida de haste em formade arco de circunferência (2) , denominada coroa, parasuporte de sensores óticos: um sensor ótico (9), denominadoSensor de Presença Solar, destinado a detectar a presençada luz solar direta; um conjunto de seis sensores óticos,denominados Sensores de Pré-apontamento (14) ou Sensoresda Coroa, instalados em câmaras escuras (8) fixadas à Coroa
(2), destinados a detectar a luz do Sol refletida noespelho (1) para executar a função de pré-apontamento; umconjunto de quatro sensores óticos (31), instalados em umacâmara escura (7), também fixada à coroa (2), denominadosSensores de Apontamento ou Sensores Centrais, destinados adetectar a luz do Sol refletida no espelho (1), paraexecutar a função de apontamento; um conjunto de 11Sensores de Posicionamento (16, 17, 18, 19, 20, 21, 24, 25,26, 27, 28) instalados em estojos (6), destinados a definira posição do espelho (1) em relação à estrutura; doistransdutores, fixados aos eixos do espelho (1), paradeterminar os ângulos de elevação e azimute; um circuitodigital de controle, cujo Diagrama de Blocos é mostrado naFig. 6; dois drives para motor elétrico, constituídos, cadaum, de um circuito lógico e um circuito de acionamento;dois motores elétricos com transmissão mecânica (para osmovimentos de elevação e azimute); e um programa decomputador (software), instalado na memória domicroprocessador da placa principal. A estrutura suporte doespelho (1) tem o eixo de elevação fixo e é dotada derigidez e funcionalidade, de modo a proporcionar um nívelde precisão de apontamento pré-determinado, por exemplo,0,09°.
Na presença de luz solar direta, o heliostato funcionaatravés de um processo de malha fechada (feedback), isto é,as informações geradas nos sensores, pelo movimento doespelho (1) e pela luz solar, direta ou refletida noespelho (1), são realimentadas para o circuito de controleque, de acordo com procedimentos pré-estabelecidos(contidos no software), conduz o espelho (1) de qualquerposição inicial até a condição de apontamento e, uma vezatingida esta condição, executa a manutenção desteapontamento. Na ausência de luz solar direta, o heliostatofunciona através de processo de malha aberta, utilizando asinformações angulares armazenadas em uma memória, e geradaspelo próprio funcionamento do heliostato.
OBS. - a estrutura apresentada é apenas uma dassoluções possíveis. Qualquer estrutura pode ser usada,desde que atenda as especificações citadas na Descrição.
c) Funcionamento
Na presença de luz solar direta, detectada pelo Sensorde Presença Solar (9), o processo de apontamento doheliostato é iniciado e se realiza em 6 fases:
(1) Procedimentos Iniciais - nesta fase o espelho (1)realiza um movimento oscilatório na direção azimutal, tendocomo limites o Sensor de Fim de Curso a Esquerda (24) e oSensor de Fim de Curso a Direita (28), em cinco diferentesposições angulares de elevação, posições estas definidaspelos Sensor de Fim de Curso Superior (16), Sensorintermediário Superior (17), Sensor Intermediário Médio(18), Sensor Intermediário Inferior (19) e Sensor de FimCurso Inferior (20) . A finalidade deste procedimento éfazer com que a luz refletida no espelho (1) sensibilizealgum sensor de pré-apontamento, ou algum sensor deapontamento.
(2) Pré-apontamento - Uma vez sensibilizado algumsensor de pré-apontamento o heliostato inicia um movimentodo raio refletido no espelho (1) , na direção de elevação eno sentido da câmara escura dos sensores de apontamento(7). Se o sensor de pré-apontamento sensibilizado estiversituado na coroa (2) abaixo da câmara escura dos sensoresde apontamento (7), o movimento de elevação ocorre paracima e se o sensor de pré-apontamento sensibilizado estiversituado acima da câmara escura de apontamento (7), omovimento de elevação ocorre para baixo. Este movimentopode produzir três situações diferentes:
(A) o sensor de pré-apontamento inicialmente
sensibilizado, dessensibiliza, o motor de elevação (4) éparado, o motor de azimute (5) é acionado para a direita, osensor de pré-apontamento volta a ser sensibilizado e omotor de azimute (5) é parado, completando o ciclo Al.Retorna-se então para a situação inicial, e o motor deelevação (4) é novamente acionado na direção da câmaraescuras dos sensores de apontamento (7), começando um novociclo Al. Estes ciclos se repetem e o raio refletido vai seaproximando da câmara escura dos sensores de apontamento(7), sensibilizando, ao longo desta trajetória, os sensoresde pré-apontamento situados na coroa (2) entre o sensorinicialmente sensibilizado e a câmara escura dos sensoresde apontamento (7), repetindo com cada um destes sensores ociclo Al, até que o raio refletido penetre pela janela dacâmara escura (15) dos sensores de apontamento (7) e, pelomenos um dos sensores de apontamento seja sensibilizado.
(B) O Sensor de Pré-apontamento inicialmentesensibilizado dessensibiliza, o motor de elevação (4) éparado e motor de azimute (5) acionado para a direita.
Neste caso o sensor de pré-apontamento inicialmentesensibilizado não volta a ser sensibilizado e o espelho (1)continua o seu movimento para a direita até encontrar oSensor de Quadrante Direito (27) ou o Sensor de Fim deCurso a Direita (28). Em ambos os casos o motor de azimute(5) é acionado para a esquerda. O sensor de pré-apontamento, inicialmente sensibilizado, volta a sersensibilizado, o motor de azimute (5) é parado e o motor deelevação (4) é acionado no sentido da câmara escura dossensores de apontamento (7), iniciando o ciclo BI. O sensorde pré-apontamento dessensibiliza, o motor de elevação (4)é parado e o motor de azimute (5) é acionado para aesquerda, o sensor de pré-apontamento é novamentesensibilizado, o motor de azimute (5) é parado e nesteponto recomeça o ciclo BI. Estes ciclos se repetem e o raiorefletido vai se aproximando da câmara escura dos sensoresde apontamento (7), sensibilizando os sensores de pré-apontamento situados na coroa (2) entre o sensorinicialmente sensibilizado e a câmara escura de pré-apontamento (8), e repetindo com cada um destes sensores, ociclo (BI), até que o raio refletido penetre pela janela dacâmara escura (15) de apontamento (7) e pelo menos um dossensores de apontamento seja sensibilizado.
(C) 0 sensor inicialmente sensibilizado permanecenesse estado, os sensores de pré-apontamento situados nacoroa (2) entre o sensor inicialmente sensibilizado e acâmara escura de pré-apontamento (8) vão sendo tambémsucessivamente sensibilizados, até que o raio refletidopenetre pela janela da câmara escura de apontamento (7) epelo menos um dos sensores de apontamento seja sensibilizado.
Quando pelo menos um dos sensores de apontamento
estiver sensibilizado, inicia-se a terceira fase.
(3) Apontamento - nesta fase o espelho (1) executa umasérie de movimentos, que seguem os procedimentos definidosno algoritmo do processo de apontamento, até que a imagemiluminada da janela da câmara escura (15) de apontamento,projetada sobre os sensores de apontamento, situados dentrodesta câmara escura (7), sensibilize simultaneamente todosos quatro sensores de apontamento, conforme mostrado naFig. 5. Neste ponto a condição de apontamento é atingida eos motores de azimute e elevação são parados.
(4) Manutenção do Apontamento - após a parada dos motoresao ser atingida a condição de apontamento, o heliostatopermanece imóvel por um período de tempo pré-determinado,por exemplo 3 0 segundos (intervalo entre duas correções daposição do espelho (1). Durante este intervalo, o movimentodo Sol altera a direção do raio de luz refletido, causandoo desapontamento do heliostato (dessensibilização de pelomenos um dos sensores de apontamento) . Ao final dointervalo entre duas correções, é comandado um novoprocesso de apontamento, que segue os mesmos procedimentosda fase (3) Apontamento.
(5) Memória - na ausência de luz solar direta (detectadapelo Sensor de Presença Solar (9), o sistema funciona tendocomo referência os últimos valores dos ângulos de elevaçãoe azimute do espelho (1) , medidos após cada apontamento(ângulos mantidos durante os intervalos entre duascorreções), que são armazenados na memória do sistema,associados a cada momento de correção previamenteestabelecidos, por exemplo cada momento HH:MO:00, HH:MO:30,HH:Ml:00, HH:M1:30, ... do clock de tempo real. Nestasituação, cada vez que o clock de tempo real passar por umdestes momentos o heliostato é reapontado.
(6) Emergência - Em situações de ventos com velocidadesacima de um valor pré-determinado, por exemplo, 80 km/h,medido por um anemômetro (Sensor de Emergência), o espelho(1) é disposto na posição horizontal utilizando-se o Sensorde Emergência de Azimute (26) e o Sensor de Emergência deElevação (21).
Existem diversos roteiros para realizar osprocedimentos descritos nas seis fases acima, dentro daconcepção do Heliostato. Para desenvolver o softwareutilizado, foi escolhido um destes roteiros, mas qualqueroutro roteiro pode ser indistintamente usado.
Considerando que a direção do apontamento (linha retavirtual que interliga o centro do espelho (1) ao ponto doreceptor de calor a ser aquecido) , coincide com o eixo docorpo cilíndrico (10) da câmara escura de apontamento (7),o posicionamento e a configuração do heliostato, ao serinstalado no campo de heliostatos, podem ser determinadoscom excelente precisão, associando-se um canhão a laser aocorpo cilíndrico (10) da câmara escura (7), de modo que adireção do raio laser fique paralelo ao eixo do corpocilíndrico. Também a execução desta instalação poderá serfeira com muita facilidade e rapidez.
Existem procedimentos diversos para levar o heliostatode uma posição inicial qualquer, até a condição deapontamento. A descrição contempla apenas um destesprocedimentos, já que apresentar todas as alternativasseria desnecessário e contraproducente. Desta formasubentende-se que, dentro da configuração do heliostato,qualquer outro procedimento possível de efetuar oalinhamento pode ser usado, sem que isto, entretanto, sejaconsiderado como inovação.
Cabe ressaltar que o funcionamento do Heliostato desta
invenção funciona baseando-se nas informações geradas porele mesmo, independendo de fatores externos, como porexemplo, o Norte Geográfico, as coordenadas geográficas dolocal de instalação, a hora do dia e o dia do ano.
A presente invenção será descrita em termos de suamodalidade preferida, entretanto, outras variações emodificações se tornarão aparentes a partir da descrição aseguir. Tais variações e modificações estão compreendidasno escopo da presente invenção.
Legenda:
* ANEMÔMETRO** ÂNGULO DE ELEVAÇÃO*** ÂNGULO DE AZIMUTE
Claims (9)
1. - Heliostato autônomo destinado a refletir a luzsolar na direção de um objeto alvo, dotado de uma estruturamecânica, um espelho (1) com movimentos de elevação eazimute, um conjunto de sensores de posicionamento, umconjunto de sensores óticos, câmaras escuras parainstalação dos sensores óticos, estojos dos sensores deposicionamento (6), dois transdutores, um circuitoeletrônico de controle, um circuito eletro-eletrônico deacionamento, um sistema mecânico de acionamento, doismotores elétricos e um programa de computador (software),caracterizado pelo fato de compreender quatro sensoresóticos (31) configurados em cruz e instalados dentro de umacâmara escura (7) cilíndrica, dotada de uma janela quadradaou circular (12,13), localizada em uma das bases docilindro, para permitir a entrada do raio solar refletidono espelho (1), que vai incidir sobre todos os ditos quatrosensores óticos instalados na outra base do cilindro, paraexecutar a fase Apontamento do heliostato.
2. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender onze sensores deposicionamento instalados em estojos (6) e acionados porhastes fixadas aos eixos de elevação e azimute do espelho(1), para executar a fase de Procedimentos Iniciais doprocesso de apontamento do heliostato e auxiliar nas demaisfases deste processo.
3. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender seis sensores óticos(14) instalados em câmaras escuras cônicas (8) dotadas dejanelas (15), fixas a uma haste em forma de arco decircunferência (2), para executar os procedimentos da fasePré-apontamento do heliostato.
4. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender um sensor ótico (9)para detectar a presença da luz solar direta.
5. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender dois transdutorespara medir as posições angulares do espelho (1).
6. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender a utilização dedados, capturados do próprio funcionamento do heliostato earmazenados em uma memória, para manter o funcionamento doheliostato na ausência de luz solar direta.
7. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender o funcionamento emprocesso de malha fechada na presença da luz solar direta eem processo de malha aberta na ausência de luz solardireta.
8. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o posicionamento e aconfiguração do heliostato, no campo de heliostatos, seremrealizados com auxílio de um raio laser.
9. - Heliostato, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de seu funcionamento ser realizadocom base nas informações geradas por ele mesmo, semnecessidade de informações externas.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3179177A1 (en) | 2015-12-07 | 2017-06-14 | Marco Antonio Carrascosa Perez | Heliostat with an improved structure |
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2009
- 2009-08-04 BR BRPI0902803-0A patent/BRPI0902803A2/pt not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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