ES2375876B1 - Seguidor solar con cilindros oleohidraulicos y metodo de funcionamiento. - Google Patents

Seguidor solar con cilindros oleohidraulicos y metodo de funcionamiento. Download PDF

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Abstract

Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos que aumenta la rigidez del sistema a base de mantener las dos cámaras de cada uno de los cilindros presurizadas, aún en estado de reposo. De esta forma se consigue aumentar la precisión del sistema evitando movimientos indeseados de los cilindros debidos a la compresión del aceite. El sistema comprende un circuito con al menos un conjunto de cilindro (8, 9), una central oleohidráulica y un sistema de control (5), siendo la central oleohidráulica la que proporciona el aceite a los cilindros controlando la velocidad de movimiento de estos y el sistema de control (5) el que supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posibles accidentes.

Description

Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos y método de funcionamiento.
Sector técnico de la invención
La invención se encuadra dentro del sector de la energía solar, más concretamente se refiere a la tecnología de los seguidores solares, ya sea para colectores cilindro-parabólicos, discos parabólicos, helióstatos o módulos fotovoltaicos, para conseguir su continua y precisa orientación hacia el sol.
Antecedentes de la invención
La generación de energía a partir de la radiación solar es una industria en continuo desarrollo. Existen gran cantidad de tipologías de receptores solares pero todos ellos se basan en una premisa fundamental: cuanta más radiación solar sean capaces de captar, mayor será la cantidad de energía producida.
Existen principalmente dos tipos de tecnologías: termosolar y fotovoltaica. La termosolar está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir vapor o aire caliente, que puede posteriormente ser usado en plantas eléctricas convencionales. La tecnología fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico para la producción de electricidad.
Dentro de la tecnología termosolar existen dos grandes grupos de concentradores los puntuales y los lineales. Dentro de los concentradores puntuales se distinguen los concentradores de disco parabólicos y las centrales de torre, rodeadas estas últimas de helióstatos que concentran la luz solar sobre ellas. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro y en la actualidad empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel (CLF), que también utilizan espejos para reflejar la luz solar.
La mayoría de estos sistemas, ya sean concentradores de disco parabólicos, helióstatos, colectores cilindro parabólicos o módulos fotovoltaicos, utilizan un sistema de seguimiento que les permite mantenerse orientados de forma permanente hacia el sol, aumentando así la cantidad de energía producida.
Los seguidores solares, en la mayoría de los casos, realizan el seguimiento tanto acimutal como cenital y se manejan gracias a circuitos de cilindros oleohidráulicos.
Existe una gran cantidad de documentos que describen diversos desarrollos de seguidores de este tipo, como pueden ser las patentes ES2329854, ES2322527, WO2008/096029...
Este tipo de manejo se encuentra un problema grave: el aceite no es un fluido incompresible. Esto conlleva a que se produzcan ligeros movimientos que, aunque para la mayoría de las aplicaciones industriales no suponga un problema a tener en consideración, en el caso de concentración solar, sea la causa de un importante descenso de la eficiencia de los sistemas.
El cambio de volumen con respecto al volumen inicial que experimenta el aceite debido a un cambio de presión, se denomina constante de compresibilidad. En aceites minerales el valor de esta constante se aproxima a 1,5 GPa, reduciendo el volumen del orden del 0,7% por cada 100 bares de presión.
Esta constante también depende de la presión y temperatura inicial a la que se encuentre el aceite, aumentado su valor cuanto mayor sea la presión inicial y menor sea la temperatura.
Por otro lado, en cilindros y hablando en valores absolutos, un volumen de aceite se puede comprimir menos cuanto menor es el diámetro del cilindro y por lo tanto su volumen.
En seguidores los cambios de volumen de aceite son debidos a la acción de fuerzas externas como el viento y el peso propio del seguidor.
Todo esto supone que en cilindros de 883 mm de longitud, como los utilizados en ciertos seguidores, el movimiento producido como consecuencia de la compresión sea de 6 mm.
Para el caso de los cilindros que regulan la orientación al sol como los usados en la tecnología solar, una pérdida de precisión implica que disminuya de manera considerable la eficiencia del sistema. Una desviación en el movimiento del orden de 6 mm, puede suponer pérdidas de hasta el 100% en un instante dado.
Una posible solución consiste en emplear sistemas que frenan externamente el cilindro (frenos de vástago), si bien estos sistemas presentan la limitación de que, al no estar pensados para muchas maniobras de movimiento, dañan los cilindros tras un uso frecuente y prolongado. En el caso de los seguidores solares la aplicación es bien distinta, ya que requiere una gran cantidad de maniobras de aplicación de freno. También se podrían utilizar frenos de pinza, pero esta solución implica un alto coste que no compensa la ganancia de eficiencia.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar una solución al problema de pérdida de precisión debida a la compresión del aceite, lográndose un aumento de la rigidez del sistema sin que ello suponga un aumento considerable en costes.
Descripción de la invención
La invención describe un sistema de cilindros oleohidráulicos para el manejo de seguidores solares. Gracias a una presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
El sistema que se reivindica es válido tanto para seguidores que realizan su movimiento en uno o más ejes como para sistemas que empleen uno o varios cilindros.
En la actualidad, para aplicaciones ordinarias hidráulicas, el movimiento se origina al aplicar una presión de por ejemplo, 80 bares, sobre una de las cámaras del cilindro y la otra cámara se conecta a tanque (0 bares). La diferencia de presión entre las cámaras es la que produce, mediante la circulación del aceite, el movimiento del émbolo. Como una de las cámaras se encuentra a 0 bares (presión de tanque), el cilindro se comporta como si la rigidez del sistema completo fuera proporcionado por la cámara a 80 bares, por lo tanto, la precisión del conjunto vendrá dada por la presión de esta cámara, que a su vez, dependiendo de la posición del émbolo en el cilindro (el cual nos da el volumen de esta cámara), determinará la compresión del aceite. Está compresión será mayor cuanto más volumen de aceite tengamos en esa cámara.
Esta compresión se traduce en una pérdida de precisión del sistema seguidor.
En algunas ocasiones se puede paliar este efecto de pérdida de precisión compensando las desviaciones mediante el sistema de control del seguidor solar. Por ejemplo, a medida que el heliostato varía su posición en elevación y el centro de gravedad se desplaza, se produce una tracción o compresión en el cilindro con la consiguiente pérdida de precisión. Gracias al lento movimiento del seguidor es posible conocer la diferencia entre la posición real y la teórica por medio de un sensor de posición. Una vez conocido dicho error, se puede corregir la diferencia recalculando la nueva posición. En el caso de que se apliquen cargas de manera puntual como por ejemplo, las debidas a ráfagas de viento, resulta muy difícil compensar el error producido debido al tiempo de respuesta que tienen los sistemas hidráulicos.
Además hay que tener en cuenta que este tipo de seguidores se encuentran en continuo movimiento (del orden de tres veces por minuto), por lo que las correcciones tendrían que ser continuas. Con esta solución no se evita, por tanto, que surja el problema, aunque si se consiguen corregir las consecuencias del mismo.
El sistema de la invención, a diferencia del estado de la técnica conocido, propone una solución que evita la aparición del problema o al menos, lo minimiza hasta valores técnicamente aceptables.
La precisión de los seguidores tiene una fuerte dependencia de la constante de compresibilidad. Esta precisión aumenta cuando la constante de compresibilidad del aceite aumenta. Como se dijo en apartado anterior, la constante de compresibilidad aumenta si aumenta la presión inicial a la que está sometido el aceite, por lo tanto una presurización de los cilindros proporcionará un aumento de precisión en el seguidor. Gracias a una presurización previa de los cilindros, se consigue un aumento de la rigidez del sistema y con ello, se disminuye drásticamente la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite.
En esta nueva aplicación se parte de cilindros cuyas dos cámaras se encuentran sometidas a una presión de, por ejemplo 100 bares, cuando el seguidor está en reposo, en vez de mantenerse sin presurizar como ocurre en el caso anterior.
Así, cuando se pretende mover el sistema y se aplica una presión, por seguir con el ejemplo anterior de 80 bares sobre el émbolo, dicha presión se reparte entre las dos cámaras, de forma que una de las cámaras, pasará a encontrarse a una presión de 140 bares y la otra disminuirá su presión hasta una presión de 60 bares (pues los 80 bares se reparten entre ambas cámaras). Al encontrarse las dos cámaras bajo una presión, la precisión del conjunto viene dada por la suma de las compresibilidades de ambas cámaras, consiguiéndose un aumento de precisión, en el peor de los casos, del doble si comparamos con el sistema anterior.
La presión final depende de factores como son la diferencia de superficies debido a la superficie del vástago y la posición del émbolo.
La influencia de la posición del émbolo tampoco es trivial. Como se dijo en los párrafos anteriores, la precisión de un cilindro hidráulico presurizado depende de la suma de las compresibilidades de las dos cámaras que lo componen y esta compresibilidad depende de la cantidad de aceite que tengamos en cada cámara y por lo tanto de la posición del émbolo dentro del cilindro que nos define el volumen de aceite en cada cámara.
Así, si el émbolo se encuentra en la mitad de la carrera, esto es, a la mitad del cilindro podemos considerar que en las dos cámaras hay la misma cantidad de aceite, (algo que no es totalmente cierto porque el área del embolo para una de las cámaras es ligeramente mayor que para la otra, pero es una diferencia que no influye en este razonamiento), por lo tanto podemos considerar que la precisión del cilindro y por lo tanto del seguidor es debida a la suma de las dos compresibilidades de las dos cámaras que son iguales y en este caso, esta precisión es aproximadamente el doble que en el caso de aplicaciones ordinarias.
Cuando el émbolo se encuentra en sus posiciones extremas la precisión aumenta a más del doble porque domina la precisión de la cámara que contiene menor volumen al sumarse la compresibilidad de ambas. Así pues, siempre tendremos una precisión mayor o igual al doble que a la que teníamos en los casos normales de aplicaciones hidráulicas.
Esta solución de presurizar previamente las cámaras logra aumentar la rigidez del sistema y disminuye la pérdida de precisión ocasionada por la compresión del aceite hasta un punto en el que ya no afecta a la eficiencia del sistema.
Para poder llevarla a cabo, son pocas las modificaciones a hacer en los sistemas actuales y suponen un incremento en el coste prácticamente despreciable frente al coste del conjunto, pues habrá que aumentar el espesor de las paredes de los cilindros para que soporten una presión mayor en las cámaras (en lugar de 80 bares, tendrán que soportar 140 bares) y sólo habrá que sustituir alguna de las juntas que, incluso a veces, están tan sobredimensionadas que no les afecta la subida de presión.
Así pues, con este sistema se consiguen minimizar los movimientos del seguidor hasta un punto en que la eficiencia en la producción de energía no sufra disminución apreciable y sin aumentar de forma apreciable el coste final del sistema.
Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
-
Figura 1: Circuito oleohidráulico de un seguidor solar, según la invención.
Las referencias que aparecen en las figuras corresponden a los siguientes elementos:
1.
Tanque.
2.
Motobomba.
3.
Tapón de llenado.
4.
Filtro retorno.
5.
Sistema de control.
6.
Bloque limitador de presión de dilataciones térmicas.
7.
Bloque para cilindro sin limitador de presión.
8.
Cilindro de carrera 883 mm.
9.
Cilindro de carrera 582 mm.
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir un ejemplo de realización de un circuito de seguidor solar con cilindros oleohidráulicos, según una realización preferente.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de un circuito oleohidráulico que controla un seguidor solar de un panel fotovoltaico.
En el caso de la realización preferente, se trata de un seguidor que controla tanto el movimiento cenital como el acimutal.
Comprende el circuito los conjuntos de cilindro (8, 9) que mueven el seguidor (en la realización preferente serán tres), una central oleohidráulica y un sistema de control (5).
Dos de los cilindros (8) que tendrán una mayor carrera, concretamente 883 mm en el caso de la realización preferente que se describe, serán los encargados de llevar a cabo el movimiento acimutal. El tercer cilindro o elevador (9), con una carrera menor, en la realización preferente de 582 mm, será el encargado del movimiento cenital o de elevación.
La central oleohidráulica controla la velocidad de movimiento de los cilindros proporcionándoles a su vez, el aceite que necesitan para su movimiento. Esta central comprende: un tanque (1) donde se almacena el aceite de los cilindros (8, 9), con un tapón de llenado (3) y un filtro de retorno (4) para evitar que entren impurezas en el tanque (1) cuando el aceite retorna de los cilindros (8, 9). También cuenta con una motobomba (2) que será la encargada de enviar el aceite a dichos cilindros (8, 9).
El sistema de control (5) está formado por una serie de elementos como: limitadores de presión, válvulas direccionales, acumuladores, presostatos, sensores... y supervisa y controla el correcto funcionamiento de todo el sistema y lo protege frente a posibles accidentes.
El funcionamiento del sistema sería el siguiente:
La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5).
La presión del acumulador se transmite a ambas cámaras de los tres cilindros (8, 9), consiguiendo de este modo que las cámaras cuenten con una presurización constante previa al movimiento.
Cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1). De este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta.
Una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente (8, 9) con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurización inicial.
Este sistema se diseña especialmente para su aplicación en seguidores solares, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos ya sea para movimientos en uno o más ejes y con uno o más cilindros donde cada uno de los cilindros cuenta con un émbolo que divide su interior en dos cámaras caracterizado porque las dos cámaras de cada uno de los cilindros se mantienen en todo momento presurizadas, incluso cuando el seguidor se encuentra en reposo.
  2. 2.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 1 caracterizado porque comprende un circuito con al menos un conjunto de cilindro, una central oleohidráulica y un sistema de control (5).
  3. 3.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 2 caracterizado porque la central oleohidráulica proporciona el aceite a los cilindros controlando la velocidad de movimiento de estos.
  4. 4.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 3 caracterizado porque la central oleohidráulica comprende un tanque (1), donde se almacena el aceite de los cilindros (8, 9), con un tapón de llenado (3), un filtro de retorno (4) y una motobomba (2) que envía el aceite a dichos cilindros.
  5. 5.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 2 caracterizado porque el circuito comprende tres conjuntos de cilindros.
  6. 6. Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 5 caracterizado porque dos de los cilindros
    (8) tienen una mayor carrera que el tercero (9) y serán los encargados de llevar a cabo el movimiento acimutal.
  7. 7.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 6 caracterizado porque la carrera de estos dos cilindros es de 883 mm.
  8. 8.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 5 caracterizado porque el tercer cilindro o elevador (9), con una carrera menor, será el encargado del movimiento de elevación.
  9. 9.
    Seguidor solar con cilindros oleohidráulicos según reivindicación 8 caracterizado porque la carrera de este cilindro es de 582 mm.
  10. 10.
    Método de funcionamiento del seguidor solar con cilindros oleohidráulicos descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:
    La motobomba (2) se encarga de mantener una presión en el acumulador que se encuentra dentro del sistema de control (5),
    la presión del acumulador se transmite a todas las cámaras de todos los cilindros, de manera que dichas cámaras cuentan con una presurización constante previa al movimiento,
    cuando es necesario realizar un movimiento, se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque (1); de este modo, al salir aceite de dicha cámara, se produce un movimiento entrando aceite en la cámara opuesta,
    una vez realizado el movimiento se vuelve a conectar la cámara del cilindro correspondiente con la presión del acumulador, volviendo al estado de presurización inicial.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201000817
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 22.06.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : F24J2/54 (2006.01) F24J2/40 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    DE 202007012317 U1 (LEHLE GMBH) 22.11.2007, 1-9
    columna 3, línea 3; párrafos [33-34]; figura 5.
    A
    10
    X
    FR 2468857 A1 (CORTES PATRICK) 08.05.1981, 1-9
    página 5, líneas 14-40; figura 7.
    A
    US 4178913 A (HUTCHISON J A) 18.12.1979, 1
    columna 12, líneas 3-36; figura 6.
    A
    US 6123067 A (WARRICK JAMES C) 26.09.2000, 1
    figura 10.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 17.02.2012
    Examinador J. Merello Arvilla Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201000817
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F24J, F15B, F16K Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000817
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 17.02.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 5-10 1-4 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 10 1-9 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000817
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    DE 202007012317 U1 (LEHLE GMBH) 22.11.2007
  11. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento D01 se considera el más próximo en el estado de la técnica a la invención de acuerdo con las reivindicaciones de la solicitud patente objeto de la presente Opinión Escrita. En adelante se utilizará la misma terminología usada en las reivindicaciones en estudio. Las referencias numéricas empleadas son relativas al documento D01. El documento D01 presenta un seguidor solar con cilindros oleohidráulicos en el que las cámaras de cada uno de los cilindros se mantienen en todo momento presurizadas incluso cuando el seguidor se encuentra en reposo. En efecto, refiriéndonos a lo relativo al cilindro (26) de la figura 5, la cámara derecha (45) del cilindro (26) se encuentra permanentemente bajo la presión proporcionada por la línea de presión (24) y la cámara izquierda (46) aumenta su presión mediante la apertura de una válvula de control (65) o la reduce en cierta medida mediante la apertura controlada de otra válvula de control (67). Cuando el cilindro (26) alcanza la posición deseada permanece en reposo gracias al cierre de ambas válvulas de control (65, 67) quedando ambas cámaras presurizadas, la cámara derecha (45) a la presión de la línea de presión (24) y la cámara izquierda (46) a la presión resultante debido a haberse procedido a admitir o ceder en dicha cámara (46) algo fluido para la expansión o retracción del vástago (29) del cilindro (26).
    Por lo indicado, el documento D01 divulga las características técnicas de la primera reivindicación de la solicitud patente objeto de estudio por lo que dicha reivindicación, por encontrarse recogida en el estado de la técnica, no presentan novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y por no presentar novedad tampoco presenta actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).
    Igualmente la invención de acuerdo con el documento D01 divulga los elementos introducidos en las reivindicaciones 2 a 4 haciendo que dichas reivindicaciones carezcan de novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y por tanto de actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).
    Las reivindicaciones 5 a 9 no se encuentran divulgadas en el documento D01 y por lo tanto cuentan con novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) pero no poseen característica técnica alguna que en combinación con las características técnicas de las reivindicaciones de las que dependen haga pensar en la existencia de actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).
    El método de funcionamiento del dispositivo de acuerdo con el documento D01 difiere del propuesto en la reivindicación 10 de la solicitud patente objeto de estudio en que de acuerdo con esta última y previamente al movimiento del vástago, la presurización se realiza transmitiendo la presión del acumulador a las dos cámaras mientras que en la invención de acuerdo con D01 la cámara derecha (45) se mantiene presurizada por la presión de la línea (24) y la cámara izquierda (46) permanece presurizada a la presión final tras el último movimiento. Por otra parte en la invención de acuerdo con la reivindicación 10 cuando se desea realizar un movimiento se conecta la cámara del cilindro que va a disminuir su volumen al tanque mientras que en la invención de acuerdo con D01 solo se conecta controladamente al tanque la cámara izquierda
    (46) cuando se desea retraer el vástago (29) del cilindro (26). Con la configuración divulgada por el documento D01 no se hace posible el funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 10 en estudio y por otra parte no se considera obvio para un experto en la materia el, partiendo del sistema de acuerdo con D01, realizar las modificaciones necesarias para que pueda funcionar de acuerdo con lo dispuesto en dicha reivindicación 10. Por tanto la invención, de acuerdo con la reivindicación 10 de la solicitud patente, por no encontrarse recogida en el estado de la técnica es nueva (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y por no resultar del mismo de una manera obvia para un experto en la materia, tiene actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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