ES2249957B1 - Dispositivo de medida de potencia radiante para superficies extensas y metodo de operacion. - Google Patents
Dispositivo de medida de potencia radiante para superficies extensas y metodo de operacion.Info
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Abstract
Dispositivo de medida de potencia radiante para superficies extensas y método de operación. Comprende dos sistemas soportados mecánicamente por una barra móvil (3). El primer sistema es de medida indirecta y consta de un blanco lambertiano (1) que refleja de forma difusa la radiación incidente sobre él. Una cámara CCD (10) registra en forma de matriz de niveles de iluminación la radiación térmica reflejada por el blanco lambertiano (1) cuando se encuentra detenido en el área objeto de estudio. El segundo sistema es de medida directa y consta de un conjunto de calorímetros de respuesta rápida de tipo termopila montados en una barra de calorímetros (2), sin refrigeración por agua y ubicados de forma adyacente al blanco lambertiano (1). Cuando estos calorímetros pasan delante del área a estudiar recogen medidas puntuales de la densidad de potencia incidente sobre ella sin necesidad de parar. Pueden de este modo compararse las medidas de potencia incidente obtenidas con ambos sistemas, mejorando la fiabilidad de la medida.
Description
Dispositivo de medida de potencia radiante para
superficies extensas y método de operación.
La presente invención se refiere a la
realización y operación de un sistema de medida de potencia
radiante basado en nuevos conceptos que incrementan la fiabilidad
de la medida de esta magnitud.
Mediante el dispositivo de la invención se
pretende cubrir la mayoría de las necesidades de medida de potencia
radiante sobre superficies extensas y puede ser utilizado en
multitud de aplicaciones en donde se precise conocer de forma
fiable la medida de dicha magnitud. Así por ejemplo, este
dispositivo, trabajando con la nueva concepción, puede ser empleado
principalmente para:
- -
- Efectuar la medida de la potencia de la radiación solar incidente sobre la apertura de receptores solares.
y adicionalmente:
- -
- Efectuar la medida de la potencia de la radiación solar incidente sobre otros dispositivos solares tales como paneles fotovoltaicos.
- -
- Efectuar la medida de la potencia de la radiación térmica procedente de procesos de combustión.
- -
- Efectuar la medida de la potencia de la radiación térmica en procesos de diagnóstico de plasma de fusión.
El dispositivo que más adelante se detallará
incorpora el concepto de medida dual de potencia radiante que
proporciona una gran fiabilidad a la medida de esta magnitud
permitiendo al mismo tiempo llevar a cabo un mantenimiento de tipo
predictivo de la calibración de ambos sistemas. El tradicional
mantenimiento de tipo preventivo es tedioso y obliga a detener el
curso normal del proceso de toma de medidas. Estos conceptos,
unidos al tipo y número de aplicaciones en las que puede ser
empleado, a la utilización de calorímetros de respuesta rápida que
permiten una medida directa de potencia sin refrigeración por
agua. Este sistema híbrido es fruto de la experiencia recogida por
CIEMAT en sus instalaciones de la Plataforma Solar de Almería,
durante más de quince años en la evaluación de prototipos de
receptor solar para plantas tipo CRS (Central Receiver System).
A lo largo de este documento se utilizarán los
siguientes términos con el significado que se describe:
Helióstato: Dispositivo que realiza el
movimiento controlado de superficies reflectantes con el objeto de
reflejar los rayos solares en una dirección determinada.
Campo de helióstatos: Conjunto de
helióstatos pertenecientes a una planta solar dispuestos en un
terreno acotado.
Torre Central: En las plantas solares con
campo de helióstatos, es aquella que permite alojar el receptor en
lugar elevado para interceptar la energía térmica concentrada y
reflejada por los espejos de los helióstatos. Este tipo de plantas
termosolares de concentración se denomina "Plantas solares de
Torre Central" ó "Plantas solares de Receptor Central".
Superficie reflectante: Es aquella que,
soportada y guiada, por el heiióstato, refleja gran parte de la
radiación solar que incide sobre ella.
Horno solar: Un horno solar consta
esencialmente de un grupo de helióstatos planos que realizan
seguimiento solar continuo, un espejo parabólico concentrador, un
atenuador o persiana y la zona de ensayos situada en el foco del
concentrador. El espejo captador plano refleja los rayos solares
paralelos y horizontales sobre el disco parabólico, el cual los
vuelve a reflejar concentrándolos en su foco (área de ensayos). La
cantidad de luz incidente se regula mediante el atenuador situado
entre el concentrador y el helióstato. Su campo de aplicación
comprende principalmente los ensayos de materiales, tanto en
condiciones ambientales como en atmósferas controladas o vacío, y
experimentos de química solar mediante receptores asociados a
reactores químicos.
Calorímetro: Sensor de reducido tamaño
que proporciona un valor puntual de la densidad superficial de
potencia incidente sobre su superficie detectora. El transductor de
estos sensores suele ser de tipo termopar y la señal generada es en
voltios.
Termopila: Conjunto de termopares
conectados en serie. Un calorímetro basado, en este transductor
tiene una mayor sensibilidad y una respuesta más rápida que el
fundamentado en un termopar convencional. La señal generada es en
voltios.
Cámara CCD: El término CCD significa
"Charge Coupled Device" o bien "Dispositivo de Carga
Acoplada". Una CCD es un sensor de estado sólido. Cuando el
semiconductor se expone a la luz, el efecto fotoeléctrico libera
electrones ligados a los átomos. Estos electrones libres (o
"huecos" según el tipo de semiconductor) son recogidos en
pozos de potencial. Cuando termina la exposición a la luz, los
pozos de potencial se vacían llevando los electrones a un registro
de lectura. El número de electrones es codificado en una señal
eléctrica que luego un ordenador interpreta como un nivel de gris
para cada pixel ("picture element"). Durante el proceso de
lectura de una CCD se procede al desplazamiento de las cargas
acumuladas en los diferentes píxeles obteniéndose una imagen
bidi-
mensional.
mensional.
En los primeros años de la década de los ochenta
un número importante de Centrales Solares de Torre Central
experimentales nacen con la motivación por desarrollar una nueva
fuente de energía limpia e inagotable, la Energía Solar.
Surgen los siguientes proyectos:
\vskip1.000000\baselineskip
El objetivo de estas plantas fue demostrar la
viabilidad técnica en la producción de electricidad a partir de
energía solar mediante el empleo de plantas de torre central con
campos de helióstatos.
Una vez finalizados los proyectos de
demostración, la mayoría de estas plantas fueron cerradas. 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.
PSA.
En EEUU 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 hace poco.
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 receptores
solares (GAST, RAS, TSA, REFOS, HITREC,...), los cuales han sido
ensayados a diferentes alturas de las torres centrales.
Un resultado fundamental en la evaluación de un
receptor es su eficiencia ya que en este dato, entre otros, se
apoyará el diseño y dimensionado de la futura planta. Por esto es
crucial la correcta medida de la potencia solar incidente en la
apertura de los prototipos de receptor evaluados. Los sistemas
utilizados para llevar a cabo esta medida utilizan diferentes
sensores (calorímetros) de tamaño reducido en comparación con el
área de la apertura de los receptores. A partir de las medidas
individuales de densidad de flujo de energía (kW/m^{2}) de los
sensores se obtiene, mediante diferentes técnicas, la potencia
total incidente en el receptor.
Las técnicas anteriormente anunciadas son dos
claramente diferenciadas:
- \bullet
- Medida directa: Esta técnica consiste básicamente en hacer un barrido de la apertura del receptor con una barra metálica donde van alojados un número de calorímetros que dependerá del tamaño de la apertura. A partir de las medidas puntuales de los sensores se obtiene la potencia incidente en el receptor. Los primeros sistemas directos utilizados (HFD, MFV) fueron de este tipo pero presentaban limitaciones que hicieron que fueran dejados de lado al aparecer la técnica de medida indirecta. El hecho de que los calorímetros utilizados tuvieran un tiempo de respuesta (1/e) del orden de 0,5 segundos hacía necesario que los sensores y la barra tuvieran que detenerse al menos un segundo para tomar la medida. Debido a los altos niveles de radiación solar recibida era necesario refrigerar los sensores y la barra. El resultado de la medida era una matriz de datos con una pobre resolución espacial. Actualmente la aparición de calorímetros tipo termopila con tiempos de respuesta del orden de los 10^{-5} segundos ha hecho que se vuelva a optar por sistemas basados en esta filosofía. Estos sensores de respuesta rápida unidos a un sistema de adquisición de datos también rápido permiten hacer un barrido del área del receptor en muy pocos segundos sin necesidad de refrigerar con agua. El resultado de la medida es una matriz de datos con una considerable mejora en la resolución espacial. El sistema resultante (MDF, Medida Directa de Flujo) ha sido diseñado y probado en la PSA, no ha sufrido ningún deterioro y suministra una medida fiable de la potencia solar.
- \bullet
- Medida indirecta: Esta técnica está basada en tres componentes fundamentales: cámara CCD (Charge Coupled Device), blanco lambertiano y calorímetro. El blanco lambertiano cubre durante un instante la apertura del receptor reflejando de forma difusa la radiación solar; la cámara CCD, situada en una caravana en la parte central del campo de helióstatos, toma una imagen de niveles de iluminación correspondiente a la apertura del receptor. Para transformar el valor de estos niveles de iluminación en unidades físicas es necesario calibrar la escala de grises de la cámara CCD. Para ello se coloca un calorímetro de forma continua en las proximidades de la apertura del receptor. El blanco lambertiano cubre sistemáticamente al calorímetro permitiendo este hecho relacionar el nivel de brillo de la zona del blanco que cubre al calorímetro con la medida de la densidad de potencia que da el sensor un instante inmediatamente anterior o posterior. La repetición de este procedimiento para diferentes niveles de potencia permite obtener una función de calibración con la cual las matrices de niveles de brillo pueden ser transformadas en matrices de densidad de potencia. El sistema ProHERMES2 ha sido recientemente desarrollado y probado en la PSA. Este sistema contempla todas las mejoras en cuanto a prestaciones de la cámara CCD y software de utilización que no contenían los primeros sistemas, entre los que hay que destacar BCS, OSIRIS y VISIR, ni sus predecesores HERMES (HEliostats and Receiver MEasurement System), HERMES II y ProHERMES (Programable HERMES).
Paralelamente se han desarrollado en el pasado
sistemas de medida directos (SAI) e indirectos (FAS y PAIS) para la
caracterización de helióstatos. También se ha desarrollado sistemas
indirectos (FATMES) para medida en hornos solares.
La experiencia acumulada durante años ha puesto
de manifiesto que ambos sistemas pierden su calibración original
con facilidad. Hasta la fecha ningún sistema de medida de potencia
radiante ha incorporado los dos procedimientos definidos en la
presente invención debido a incompatibilidades que hacían que
tuvieran que trabajar de forma independiente. Los sensores
utilizados en sistemas directos previos tenían tiempos de
respuesta del orden de medio segundo lo que hacia necesario que la
barra estuviera parada al menos un segundo durante cada medida
para que esta no fuera distorsionada. Este requerimiento
imposibilita la utilización de un blanco lambertiano adyacente ya
que al ser sometido a altos niveles de radiación solar concentrada
durante exposiciones prolongadas acabaría siendo destruido. Todos
los sistemas anteriores consideran, por tanto, sólo uno de los dos
modos de medida mencionados. La realización de dos medidas
simultáneas de la potencia radiante incrementa la fiabilidad en la
estimación de dicha magnitud. Además el nuevo sistema aporta
características que posibilitan modos de operación irrealizables
para sus predecesores. La incorporación de los calorímetros de
respuesta rápida permiten efectuar una medida directa de la potencia
radiante sin refrigeración por agua, sin necesidad de detener la
barra y con una resolución espacial impensable para los sistemas
directos anteriores. El sistema directo así definido permite
barrer velozmente grandes superficies reduciendo el tiempo de
exposición a la radiación solar concentrada prescindiendo de
sistemas de refrigeración. Puede así utilizarse un sistema de
medida directo de forma simultánea al sistema indirecto, lo que
permite la plena comparación de las medidas, con el consiguiente
aumento de la fiabilidad de ésta y la vigilancia "in
situ" de la calibración.
En el documento ES 2.142.267 que lleva por
titulo "Dispositivo para medición de la radiación luminosa
concentrada" se describe un dispositivo para medición de la
radiación luminosa concentrada. El dispositivo detallado comprende
un reflector, dispuesto inclinado y que puede desplazarse
transversalmente con respecto a la luz incidente, y una cámara,
que se halla dispuesta con su eje óptico aproximadamente paralelo a
la dirección de desplazamiento del reflector y capta la luz
reflejada por éste. Esta patente refleja en parte el fundamento de
lo que se viene llamando sistemas de medida indirectos (BCS, FAS,
HERMES, PAIS, OSIRIS, VISIR, FATMES, HERMES II, ProHERMES y
ProHERMES 2) basados en la utilización de una cámara captadora de
la luz reflejada por un reflector que cubre de manera sistemática
el área sobre la que se quiere medir la potencia incidente. Sin
embargo, esta patente no describe ninguna asociación física que
incorpore dos sistemas independientes (directo e indirecto) de
medición que permita contrastar medidas. En dicho documento se
asegura textualmente: "Mediante calorímetros se puede medir la
densidad de flujo de la radiación solar concentrada en la mancha
focal. Este proceso es laborioso ya que los calorímetros discurren
paso a paso por encima del plano de la mancha focal (Sistema
directo) y tienen que detenerse en cada paso para la medición. La
exploración de una superficie de varios metros cuadrados requiere,
por lo menos, unos cuantos minutos. En consecuencia, mediante este
procedimiento de medición no es posible realizar
mediciones durante fenómenos transitorios como el paso
de nubes". Esta afirmación puede ser rectificada y decir que
actualmente "se pueden realizar mediciones durante fenómenos
transitorios con un sistema directo como el descrito en esta
solicitud de patente". Luego el dispositivo descrito en la
presente solicitud de patente no sólo no entra en discordia con el
documento ES 2.142.267 sino que hace posible lo que esta última
describe como imposible.
Los componentes estructurales de la invención
son:
Esta barra sustentará un blanco lambertiano y
una barra de calorímetros de respuesta rápida. Estará fabricada en
acero al carbono, siendo de forma cilíndrica y hueca en su
interior para que los cables de teflón de los calorímetros pasen
longitudinalmente a su través. Pivotará en un punto situado debajo
del receptor en la vertical que pasa por el centro de la apertura
del receptor y se moverá con una velocidad angular adecuada a la
medida gracias a un motor de corriente continua.
La barra de calorímetros será de acero al
carbono o de otro metal con alta temperatura de fusión. Las
dimensiones de la barra y la distribución de calorímetros en ella
será la adecuada para barrer la superficie de interés. Los
calorímetros serán de tipo termopila de respuesta rápida. La barra
de calorímetros ira cerrada por los laterales y por la parte
trasera con aluminio pintado de blanco con objeto de proteger a los
sensores de la radiación.
Las señales procedentes de todos los
calorímetros serán registradas por un sistema de adquisición de
datos con el número de canales, velocidad de adquisición y
resolución adecuados.
Un termopar irá alojado en el interior de la
barra de calorímetros e indicará en cada momento la temperatura
que alcanza el sistema. En ningún caso se operará el sistema con
temperaturas superiores a los 200ºC para evitar el deterioro del
cableado de teflón de los calorímetros y demás componentes que
integran el sistema híbrido. La señal procedente de este termopar
será registrada por el mismo sistema que registra las señales de
los calorímetros de respuesta rápida.
El blanco lambertiano estará formado por placas
de aluminio pintadas con pintura difusora por su parte expuesta a
la radiación. Las dimensiones del blanco serán adecuadas para
cubrir el área de interés. El blanco se detendrá unos 3 segundos,
para asegurar que está totalmente parado, a corta distancia de la
apertura del receptor y en un plano paralelo a éste, reflejando de
forma difusa la potencia solar incidente.
Un calorímetro refrigerado por agua y de pequeño
tamaño estará situado de forma continua en lugar próximo a la
superficie objeto de estudio. La señal procedente de este
calorímetro será registrada por el mismo sistema que registra las
señales de los calorímetros de respuesta rápida.
Una cámara CCD con resolución espacial adecuada
estará situada en la parte central del campo de helióstatos
protegida de las condiciones externas y a una distancia
conveniente.
El método de operación es el siguiente:
Antes de iniciar el proceso de medida, la barra
móvil estará en su posición de reposo salvaguardando la barra de
calorímetros de respuesta rápida y el blanco lambertiano de la
radiación solar concentrada por los helióstatos.
Al iniciarse la medida el motor de corriente
continua actuará sobre la barra móvil que pivotará y hará pasar la
barra de calorímetros y el blanco lambertiano delante de la
apertura del receptor en un plano paralelo a su superficie y muy
próximo a ésta.
\newpage
En el movimiento de ida de la barra, el
calorímetro rápido de referencia quedará detrás del primer testigo
de acero indicando este hecho la entrada del sistema en la zona de
interés. La señal temporal procedente de este sensor sufrirá un
decremento indicativo de ese instante. Cuando este calorímetro
alcance el segundo testigo de acero significará que la barra de
calorímetros abandona la zona de interés. Se conseguirán de este
modo las dos referencias temporales que permitirán identificar los
datos procedentes de los calorímetros rápidos adquiridos en la
zona de interés. Asimismo se obtendrá la velocidad angular de la
barra a partir de la diferencia de tiempos indicados por el
calorímetro rápido de referencia al alcanzar los dos testigos de
acero sucesivos y el ángulo sustentado por estas dos referencias y
la barra móvil.
A partir de la velocidad angular de la barra se
podrán determinar las posiciones a que corresponden las medidas
realizadas por los calorímetros de respuesta rápida referidas al
centro de la apertura del receptor. De este modo se obtendrá la
matriz de datos de densidad de potencia en la apertura del
receptor.
Después de alcanzar el segundo testigo de acero
la barra móvil se detendrá durante tres segundos quedando el
blanco lambertiano cubriendo la apertura del receptor reflejando
de forma difusa la radiación solar; la cámara CCD, situada en una
caravana en la parte central del campo de helióstatos, tomará una
imagen de niveles de iluminación correspondiente a la apertura del
receptor. Para transformar los valores de esta matriz en unidades
físicas será necesario haber calibrado previamente el conjunto
CCD-blanco. Para ello se habrá colocado un
calorímetro de forma continua en las proximidades de la apertura
del receptor. El blanco lambertiano cubrirá sistemáticamente al
calorímetro permitiendo este hecho relacionar el nivel de
iluminación de la zona del blanco que cubre al calorímetro con la
medida de la densidad de potencia que da el sensor un instante
inmediatamente anterior o posterior. La repetición de este
procedimiento para diferentes niveles de potencia permite obtener
una función de calibración con la cual las matrices de niveles de
iluminación de la escala de grises de la cámara pueden ser
transformadas en matrices de densidad de potencia.
Una vez la cámara CCD haya tomado la imagen, la
barra móvil volverá a su posición de parking siguiendo la misma
trayectoria que en el camino de ida.
Tras la medida efectuada el termopar indicará un
aumento en la temperatura del sistema debiendo esperar en la
posición de parking un periodo de tiempo antes de realizar la
siguiente medida.
En todo momento los ordenadores que gobiernan la
adquisición de las imágenes por la cámara CCD y las señales
procedentes de los diferentes sensores estarán sincronizados.
Aspectos relevantes de la invención son:
El sistema de medida de la invención es
desarrollado a partir de componentes ya existentes en la PSA y
operando en la torre CRS a 43 metros de altura, nivel donde se
evalúan receptores solares. Para ello se ha acoplado la barra de
calorímetros de respuesta rápida de forma adyacente al blanco
lambertiano. El conjunto es soportado por una barra móvil que
sustenta al blanco por su parte trasera.
Un motor de corriente continua actúa sobre la
barra móvil haciéndola pivotar desde la posición de reposo,
logrando que la barra de calorímetros atraviese transversalmente el
área de interés y que el blanco lambertiano se detenga durante unos
instantes delante de dicha superficie. Una vez que la cámara CCD
toma la imagen reflejada por el blanco, la barra vuelve a su
posición de parking logrando que los calorímetros de respuesta
rápida vuelvan a barrer la zona de inte-
rés.
rés.
La cámara CCD se encuentra ubicada en la parte
central del campo de helióstatos. Un ordenador y un software actúan
sobre la tarjeta que controla la cámara y registra las imágenes
procedentes del blanco lambertiano.
Las señales provenientes de los calorímetros son
registradas por una tarjeta de adquisición con un convertidor AID
situada en la parte alta de la torre. Los datos son transferidos
por fibra óptica a un ordenador situado en la sala de control y
desde el que se controla la adquisición de los datos gracias a un
software para tal propósito.
El cableado de estos calorímetros es embutido
por la parte trasera del blanco hacia la barra que soporta toda la
estructura y que proporciona movilidad al sistema. De este modo el
cableado es protegido de la radiación incidente y llega hasta el
sistema de adquisición de datos también protegido en la torre CRS.
La barra de calorímetros es a su vez cerrada por su parte trasera y
lateral evitando la radiación.
Un compartimiento de seguridad, desde donde
inicia su movimiento la barra móvil, protege al sistema de la
radiación incidente cuando se encuentra en reposo y sin efectuar
medidas.
Varios termopares ubicados en diferentes partes
de la barra de calorímetros indican la temperatura de ésta. Si es
muy elevada, debido a la energía acumulada en la anterior medida,
la barra deberá permanecer en la posición de parking hasta que se
considere que su temperatura es suficientemente baja para efectuar
otra medida de radiación.
La capacidad de obtener dos medidas simultáneas
de la potencia con sistemas independientes incrementa la fiabilidad
en la medida de esta magnitud. La posible pérdida de calibración
de los sistemas directo e indirecto obliga a establecer
procedimientos periódicos de control que detecten el posible error
en la medida de la potencia incidente; estos procedimientos son
lentos e interrumpen el normal desarrollo de los experimentos.
Gracias al sistema directo anteriormente
descrito es posible determinar la potencia incidente sobre una
superficie extensa barriendo ésta con la barra en modo continuo sin
necesidad de parar.
Este sistema puede adaptarse a diferentes
situaciones cuando la geometría del área objeto de estudio lo
requiera. Todos los sistemas anteriores han sido utilizados para
medir la potencia incidente sobre áreas bidimensionales. El nuevo
sistema puede adecuarse y medir la potencia incidente sobre áreas
tridimensionales. En este caso la componente indirecta quedaría en
desventaja ya que estaría limitada por el ángulo de visión de la
cámara CCD.
Para completar la descripción realizada y con
objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de
la invención, se va a efectuar una descripción detallada de una
realización preferente, basándose en un conjunto de esquemas que
acompañan a esta memoria descriptiva, formando parte integrante de
la misma y en donde con carácter meramente orientativo y no
limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 representa una vista de la parte
delantera del dispositivo de medida de la invención.
La figura 2 representa una vista de la parte
trasera del dispositivo de medida de la invención. Al fondo el
campo de helióstatos donde se encuentra la cámara CCD resguardada
en una caravana.
En las figuras descritas las referencias
numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos:
- 1.
- Blanco lambertiano
- 2.
- Barra con calorímetros de respuesta rápida
- 3.
- Barra móvil
- 4.
- Punto pivote
- 5.
- Protección calorímetros de respuesta rápida
- 6.
- Canaleta para protección de cableado
- 7.
- Calorímetro refrigerado por agua.
- 8.
- Superficie de interés
- 9.
- Testigos
- 10.
- Cámara CCD
- 11.
- Campo de helióstatos.
Un sistema híbrido de medida de potencia
radiante se pondrá en funcionamiento en la PSA, constituyendo una
aplicación preferente del objeto de la invención.
Se trata de un sistema híbrido pensado para
medir la potencia incidente sobre la superficie de interés (8) que
constituye la apertura de un receptor solar. Esta apertura estará
contenida en un círculo de 0.880 metros de diámetro. Tanto el
receptor como el sistema de medida son ubicados a 43 metros de
altura, en el nivel de ensayos de la torre CRS.
Una barra móvil (3) sustentará un blanco
lambertiano (1) y una barra de calorímetros (2), de respuesta
rápida. Estará fabricada en acero al carbono, siendo de forma
cilíndrica y hueca en su interior para que los cables de teflón de
los calorímetros pasen longitudinalmente a su través. Su longitud
será 1,705 metros y su diámetro externo 8 centímetros. Será
susceptible de girar alrededor de un punto pivote (4) situado
debajo del receptor a 2,095 metros en la vertical que pasa por el
centro de la apertura del mismo y se moverá con una velocidad
angular de 0,21 rad/s gracias a un motor de corriente continua.
La barra de calorímetros (2) será de acero al
carbono y tendrá las siguientes dimensiones: 1045 mm de largo, 40
mm ancho y 15 mm de grosor. Ocho calorímetros de 6,32 mm de
diámetro y respuesta rápida de la marca Vatell® (modelos
HFM-7E/L y HFM-6C/L) estarán
ubicados en la barra en las posiciones 172 mm, 322 mm, 422 mm, 472
mm, 522 mm, 622 mm, 722 mm y 872 mm desde el extremo inferior de la
barra. Más próximos en el centro ya que se espera que el máximo de
la distribución de densidad de potencia se encuentre en esa zona.
La resolución espacial promedio en la dirección vertical será de
100 mm.
La barra de calorímetros (2) irá cerrada por los
laterales y por la parte trasera con aluminio pintado de blanco con
objeto de proteger a los sensores de la radiación.
Las señales procedentes de todos los
calorímetros serán registradas por la tarjeta 6031E (National
Instruments®) con 32 canales diferenciales analógicos. La tarjeta
irá integrada en un módulo PXI/CPCI (National Instruments®) el cual
mediante fibra óptica transferirá los datos a un PC situado en la
sala de control ubicada en la torre.
La adquisición de los datos procedentes de los
calorímetros se producirá con una velocidad de muestreo de 40
datos/s lo que unido a la velocidad angular de la barra de 0,21
rad/s proporciona al sistema directo una resolución espacial en la
dirección horizontal de 10-13 mm.
Dos testigos (9), cilíndricos de acero al
carbono, servirán de referencia para indicar al calorímetro de
respuesta rápida de la posición 172 mm cuando están dentro y fuera
de la zona de interés. Los testigos (9) producirán sombra sobre el
calorímetro cuando este pase por detrás, lo que generará un
decremento en la señal temporal del sensor, pudiendo determinarse,
de esta forma, los instantes de salida y de entrada de la barra de
la superficie de interés (8).
Un termopar tipo K irá alojado en el interior de
la barra de calorímetros e indicará en cada momento la temperatura
que alcanza el sistema. En ningún caso se operará el sistema con
temperaturas superiores a los 200ºC para evitar el deterioro del
cableado de teflón de los calorímetros y demás componentes que
integran el sistema híbrido. La señal procedente de este termopar
será registrada por el mismo sistema que registra las señales de
los calorímetros de respuesta rápida.
El blanco lambertiano (1) estará formado por
placas de aluminio pintadas con pintura difusora (Amercoat™ 747)
por su parte expuesta a la radiación. Las dimensiones del blanco
serán 1,030 metros de ancho por 1,045 metros de largo. Esta
superficie se detendrá unos 3 segundos a 25 cm de la apertura del
receptor y en un plano paralelo a éste, reflejando de forma difusa
la potencia solar incidente.
Un calorímetro refrigerado por agua (7), marca
Vatell® (modelo 1000), de 2,54 centímetros de diámetro estará
situado de forma continua en lugar próximo a la superficie objeto
de estudio. La señal procedente de este calorímetro será registrada
por el mismo sistema que registra las señales de los calorímetros
de respuesta rápida.
La cámara CCD (10) tendrá 14 bits de
digitalización y será de la marca Hamamatsu Photonics® (modelo ORCA
II), con 1024 x 1280 pixels de tamaño 6,7 \mum x 6,7 \mum. La
cámara estará situada en la parte central del campo de helióstatos
protegida de las condiciones externas. La distancia
cámara-receptor será de 150 metros lo cual
proporcionará una resolución espacial de la apertura del receptor de
2 mm/pixel.
El método de operación es el siguiente:
Antes de iniciar el proceso de medida, la barra
móvil (3) estará en su posición de reposo salvaguardando la barra
de calorímetros de respuesta rápida (2) y el blanco lambertiano
(1) de la radiación solar concentrada por los helióstatos. Los
valores medio y máximo esperados para la densidad superficial de
potencia serán variables pero sus valores más extremos podrán
llegar a ser de 550 kW/m^{2} y 850 kW/m^{2}
respectivamente.
Al iniciarse la medida el motor de corriente
continua actuará sobre la barra móvil que girará alrededor del
punto pivote (4) y hará pasar la barra de calorímetros (2) y el
blanco lambertiano (1) por delante de la superficie de interés (8)
que constituye la apertura del receptor en un plano paralelo a su
superficie y a 25 cm de distancia de ésta. En el movimiento de ida
de la barra, el calorímetro rápido de referencia quedará detrás
del primer testigo de acero (9) indicando este hecho la entrada del
sistema en la superficie de interés. La señal temporal procedente
de este sensor sufrirá un decremento indicativo de ese instante.
Cuando este calorímetro alcance el segundo testigo de acero
significará que la barra de calorímetros (2) abandona la zona de
interés. Se conseguirán de este modo las dos referencias
temporales que permitirán identificar los datos procedentes de los
calorímetros rápidos adquiridos en la zona de interés. Asimismo se
obtendrá la velocidad angular de la barra a partir de la
diferencia de tiempos indicados por el calorímetro rápido de
referencia al alcanzar los dos testigos (9) sucesivamente y el
ángulo sustentado por estas dos referencias y la barra móvil
(3).
A partir de la velocidad angular de la barra se
podrán determinar las posiciones a que corresponden las medidas
realizadas por los calorímetros de respuesta rápida referidas al
centro de la apertura del receptor. De este modo se obtendrá la
matriz de datos de densidad de potencia en la apertura del
receptor.
Después de alcanzar el segundo testigo de acero
la barra móvil se detendrá durante tres segundos quedando el blanco
lambertiano (1) cubriendo la apertura del receptor reflejando de
forma difusa la radiación solar; la cámara CCD (10), situada en una
caravana en la parte central del campo de helióstatos, tomará una
imagen de niveles de iluminación correspondiente a la apertura del
receptor. Para transformar los valores de esta matriz en unidades
físicas será necesario haber calibrado previamente el conjunto
CCD-blanco. Para ello se habrá colocado un
calorímetro refrigerado por agua (7), de forma continua, en las
proximidades de la apertura del receptor. El blanco lambertiano (1)
cubrirá sistemáticamente al calorímetro, permitiendo este hecho
relacionar el nivel de iluminación de la zona del blanco que cubre
al calorímetro con la medida de la densidad de potencia que da el
sensor un instante inmediatamente anterior o posterior. La
repetición de este procedimiento para diferentes niveles de potencia
permite obtener una función de calibración con la cual las
matrices de niveles de iluminación de la escala de grises de la
cámara CCD (10) pueden ser transformadas en matrices de densidad de
potencia.
Una vez la cámara CCD (10) haya tomado la
imagen, la barra móvil (3) volverá a su posición de parking
siguiendo la misma trayectoria que en el camino de ida.
Tras la medida efectuada el termopar indicará un
aumento en la temperatura del sistema debiendo esperar en la
posición de parking un periodo de tiempo antes de realizar la
siguiente medida.
En todo momento los ordenadores que gobiernan la
adquisición de las imágenes por la cámara CCD y las señales
procedentes de los diferentes sensores estarán sincronizados.
Claims (2)
1. Dispositivo de medida de potencia radiante
para superficies extensas destinado a determinar la densidad de
potencia en una superficie de interés (8) caracterizado por
comprender;
- una barra móvil (3), susceptible de girar alrededor de un punto pivote (4) accionada por un motor,
- una pluralidad de calorímetros de respuesta rápida dispuestos en una barra de calorímetros (2) unida a la barra móvil (3),
- un blanco lambertiano (1) unido a la barra móvil (3),
- una cámara CCD (10) susceptible de enfocar al blanco lambertiano (1),
- un calorímetro refrigerado por agua (7), dispuesto fijo y próximo a la superficie de interés (8), destinado a calibrar la imagen obtenida por la cámara CCD (10),
- dos testigos (9), de tal manera dispuestos que oculten a la barra de calorímetros (2) la radiación a medir para las posiciones extremas de la superficie de interés (8).
2. Método de operación del dispositivo de medida
de potencia radiante para superficies extensas de la reivindicación
1 caracterizado por comprender las siguientes etapas:
- a)
- Etapa de aparcamiento en el que el dispositivo permanece en reposo, protegido de la radiación solar.
- b)
- Etapa de medida directa en la que el dispositivo abandona su posición de aparcamiento, se aproxima a la superficie de interés (8) en un plano próximo y paralelo a ésta barriéndola con la barra de calorímetros (2) de respuesta rápida, efectuando una pluralidad de medidas en modo continuo, sin parar, de la potencia incidente sobre la superficie de interés (8).
- c)
- Etapa de medida indirecta en la que el blanco lambertiano (1) permanece detenido enfrente de la superficie de interés (8) y la cámara CCD (10) toma una imagen de los niveles de brillo reflejados de forma difusa por el blanco lambertiano (1), transformándolos, mediante la lectura de un calorímetro refrigerado por agua (7) dispuesto de forma fija próximo a la superficie de interés (8), en una matriz de densidades de potencia sobre la superficie de interés (8).
- d)
- Etapa de comparación entre la medida directa y la medida indirecta en la que se asume que la medida es válida si ambas no discrepan en una cantidad mayor de un valor predeterminado.
- e)
- Etapa de retorno a la posición inicial en la que la barra móvil (3) vuelve a la posición de aparcamiento siguiendo una trayectoria igual a la de la etapa b) pero en sentido contrario.
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|---|---|---|---|
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| CENTRAL RECEIVER FACILITIES: CESA-1 AND CRS. PLATAFORMA SOLAR DE ALMERIA - FACILITIES AND INFRAESTRUCTURE Recuperado de Internet: URL:http://www.psa.es/webeng/areas/instalaciones/receptor.html Recuperado el 12.09.2003. * |
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