WO2012140285A1 - Procedimiento para comprobar la geometría de captadores solares cilíndro-parabólicos y sistema para llevar a cabo dicho procedimiento - Google Patents

Procedimiento para comprobar la geometría de captadores solares cilíndro-parabólicos y sistema para llevar a cabo dicho procedimiento Download PDF

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Emmanuel OZÁEZ MUÑOZ
Jon Albisu Tristan
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Albiasa Collector Trough, S.L.
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    • G—PHYSICS
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    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/82—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors characterised by the material or the construction of the reflector

Definitions

  • the present invention is framed in the field of solar energy, in particular in the parabolic trough collectors used in the generation of thermo-solar energy.
  • a solar collector is based on the concentration of sunlight on the focal axis of a parabolic trough-reflective collector (CCP).
  • CCP parabolic trough-reflective collector
  • a tube through which a heat carrier fluid circulates.
  • the thermal energy stored by said circulating fluid is used to obtain electrical energy by means of a generating turbine.
  • the geometry of the collector determines the amount of solar energy that will reach the absorber tube located on the shaft. That is why it is important to be able to verify the geometry of the sensor in the assembly process.
  • patent ES2199081 B1 describes a procedure for the optical characterization of large mirrors that it uses as Light source a star and a CCD camera in the mirror concentration region, pointing towards it. By analyzing the position of the bright areas of the mirror registered by the camera, the components of the vector normal to the surface of the mirror can be determined, thus being able to characterize the surface.
  • this solution is suitable only for flat mirrors (heliostats) or completely parabolic (stirling disc) whose focus is punctual and allows to place a CCD camera in the same focus, but not for systems with linear focus such as parabolic trough collectors .
  • the invention aims to alleviate the technical problems mentioned in the previous section. To do this, it proposes a procedure and system to carry out said procedure, in which the reflective surface of the collector or sensors is positioned in front of a 3D laser phase difference scanner, the reflective surface of the sensor module is covered with a protective element anti-reflective and a surface scan is performed using the laser scanner.
  • the protective element is an aqueous medium such as a water paint or a textile or plastic piece.
  • the system is specially adapted to acquire a cloud of points on the surface of the collector (s) using the scanner and position the protective and anti-reflective element or spray the collectors with a water-based paint.
  • Figure 1 .- is a schematic representation of a system for carrying out the process of the invention.
  • Figure 2.- is a representation of another implementation of the system of the invention.
  • the procedure proposed by the invention can be used either at the end of the assembly of each of the modules that make up the CCP or can be applied directly to the CCP.
  • the procedure is based on the acquisition of a cloud of points from which to create a mathematical model of the module surface.
  • a phase difference 3D laser scanner is used.
  • the principle of operation of this scanner is the emission of a frequency-modulated laser signal. Once this signal collides with the surface (see figures 1 and 2), it returns to the unit where it has been emitted.
  • An electronic module measures the distance traveled by analyzing the offset of the acquired signal. Signal modulation provides a greater number of points per second and greater accuracy over short distances (3 -10m). Given the nature of the module, whose surface is covered with mirrors (2), it is impossible to use the laser scanner directly on said surface.
  • the procedure allows to obtain a mathematical model of the surface in about 15 minutes.
  • the station consists of a structure (5) of about 9m of fixed height from which hangs the laser scanner (3), which It is about 3-4m from the module to be verified (1).
  • the structure is composed of two vertical posts and another horizontal joining said vertical posts at its top. In the middle of the horizontal post is a fastener for the laser. In both vertical posts, a couple of meters above the collector, there are sprinkler supports (6). The support carriage or frame on which the sensor module goes is positioned under this structure, so that the laser scanner is in the center of said module.
  • the scanner is connected to a PC either by cable or wireless connection, which allows it to be activated remotely.
  • the sprinklers or sprinklers (6) which are preferably of the rotating type are operated to cover the piece with an aqueous element (4), for example a water-based paint.
  • the module is cleaned with water, either by using hoses by one or more operators or by using sprinklers or sprinklers, preferably of a rotary type.
  • the station consists of a preferably metallic structure of about 9m. of height of which hangs the scanner, that is to about 3-4m of the module to verify.
  • the structure (5) is composed of two vertical posts and another horizontal one that said vertical posts in its upper part. In the middle of the horizontal post is a fastener for the laser (3). In both vertical posts, a couple of meters above the sensor, there are some supports where the textile or plastic element (4) is attached. These supports are subject to a climbing mechanism and low, which may be, among other embodiments, one or more telescopic arm (s) (7) and one or more hoists (8). The hoist allows to move the telescopic arm which in turn is subject to the support structure of the protective element that can be textile or plastic, but must be matte and preferably white. In each vertical of the structure, both to the right and to the left, there are one or more fasteners, at least one telescopic arm and a hoist. The telescopic arms on both sides move synchronously.
  • the telescopic arms are attached to the device that supports the protective element.
  • This device also has at least two tension cables attached. These tension cables provide rigidity to the structure. Said device, in turn, is such that it provides freedom in the axes to the protective element, to be able to adapt it correctly once it is on the mirrors.
  • This device consists of a rigid vertical bar approximately 1 m long whose upper end is attached to the telescopic arm (s) and whose lower end is attached to an elongated bar approximately the length of the fabric at said end and from which hang a series of hooks to the protective element. These hooks are about 10cm long and provide freedom of movement in the axes to the device.
  • Position 1 Two positions are defined, Position 1 and Position 2.
  • Position 1 the element that allows up / down is collected and therefore the protective element is a couple of meters above the sensor.
  • Position 2 the element that allows up / down is stretched and therefore the protective element is on the mirrors.
  • the support carriage or frame on which the sensor module goes is positioned under this structure, so that the laser scanner is in the center of said module.
  • the mechanism that allows the protective element to be raised / lowered is in position 1.
  • the laser scanner is connected to a PC either by cable or wireless connection, which allows remote activation and data collection.
  • the laser phase difference scanner it is possible to characterize surfaces whose focus is linear.

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Abstract

Procedimiento para comprobar la geometría de captadores solares cilindro- parabólicos que comprende los siguientes pasos: -posicionar la superficie reflectante (2) del captador(1) frente un escáner láser 3D de diferencia de fase (3) -cubrir la superficie reflectante del modulo del captador con un elemento protector anti-reflejante (4) -efectuar un escaneo de la superficie mediante el escáner láser. Gracias al escáner láser de diferencia de fase es posible caracterizar superficies cuyo foco es lineal.

Description

PROCEDIMIENTO PARA COMPROBAR LA GEOMETRIA DE CAPTADORES SOLARES CILINDRO-PARABÓLICOS Y SISTEMA PARA LLEVAR A CABO
DICHO PROCEDIMIENTO D E S C R I P C I O N
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el campo de la energía solar, en concreto en los captadores cilindro-parabólicos utilizados en la generación de energía termo-solar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El funcionamiento de un captador solar se basa en la concentración de la luz solar en el eje focal de un captador reflectante cilindro-parabólico (CCP). En dicho eje se dispone un tubo por el que circula un fluido portador de calor. La energía térmica almacenada por dicho fluido en circulación es utilizada para la obtención de energía eléctrica mediante una turbina generadora. La geometría del captador determina la cantidad de energía solar que llegará al tubo absorbedor ubicado en el eje. Por eso es importante poder verificar la geometría del captador en el proceso de ensamblaje del mismo.
Dadas las dimensiones de las piezas a medir, se hace inviable emplear sistemas de digitalización 3D convencionales, como podrían ser sistemas de proyección de patrones, sistemas de línea láser, etc. En el caso de emplear este tipo de sistemas, la mecánica necesaria para llevar a cabo un proceso completo de inspección elevaría enormemente el coste, ya que se requeriría disponer un brazo robot de grandes dimensiones dispuesto sobre un carril de desplazamiento que permitiese la inspección completa.
Además de esto, sería necesario emplear un útil de sujeción de los sistemas de espejos donde poder colocar las marcas fotogramétricas para realizar la inspección.
Para solventar estos problemas, la patente ES2199081 B1 describe un procedimiento para la caracterización óptica de grandes espejos que emplea como fuente de luz una estrella y una cámara tipo CCD en la región de concentración del espejo, apuntando hacia el mismo. Mediante un análisis de la posición de las zonas brillantes del espejo registradas por la cámara, se pueden determinar los componentes del vector normal a la superficie del espejo, pudiéndose así caracterizar la superficie. Sin embargo, esta solución es adecuada solo para espejos planos (helióstatos) o completamente parabólicos (disco stirling) cuyo foco es puntual y permite colocar en el mismo foco una cámara tipo CCD, pero no para sistemas con foco lineal como son los captadores cilindro parabólicos. OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un procedimiento y sistema para llevar a cabo dicho procedimiento, en el que se posiciona la superficie reflectante del captador o captadores frente un escáner láser 3D de diferencia de fase, se cubre la superficie reflectante del modulo del captador con un elemento protector anti-reflejante y se efectúa un escaneo de la superficie mediante el escáner láser. El elemento protector es un medio acuoso como una pintura al agua o una pieza textil o plástica. El sistema está especialmente adaptado para adquirir una nube de puntos de la superficie del o los colectores mediante el escáner y posicionar el elemento protector y anti-reflejante o rociar los colectores con una pintura al agua.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:
Figura 1 .- es una representación esquemática de un sistema para llevar a cabo el procedimiento de la invención.
Figura 2.- es una representación de otra puesta en práctica del sistema de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El procedimiento propuesto por la invención puede ser utilizado bien al finalizar el montaje de cada uno de los módulos que componen el CCP o se puede aplicar directamente al CCP.
El procedimiento se basa en la adquisición de una nube de puntos a partir de los que crear un modelo matemático de la superficie del módulo. Para ello se utiliza un escáner láser 3D de diferencia de fase. El principio de funcionamiento de este escáner es la emisión de una señal láser modulada en frecuencia. Una vez que esta señal choca con la superficie (ver figuras 1 y 2), vuelve a la unidad donde ha sido emitida. Un módulo electrónico mide la distancia recorrida analizando el desfase de la señal adquirida. La modulación de la señal proporciona un mayor número de puntos por segundo y una precisión mayor a distancias cortas (3 -10m). Dada la naturaleza del módulo, cuya superficie se encuentra cubierta de espejos (2), resulta imposible utilizar el escáner láser directamente sobre la dicha superficie.
Para solucionar esto se han propuesto dos alternativas:
1 . Realizar la medición de la superficie por la parte delantera utilizando un elemento acuoso para cubrir los espejos que se elimina fácilmente con agua, sin dañar los espejos.
2. Realizar la medición de la superficie por la parte delantera utilizando un elemento textil o plástico para cubrir los espejos que se retira posteriormente y no daña los espejos. Tanto si se utiliza un elemento acuoso, como textil o plástico, deberá no tener brillos y ser preferentemente de color blanco, dado que el blanco refleja todas las longitudes de onda.
El procedimiento permite obtener un modelo matemático de la superficie en unos 15 minutos.
En la figura 1 se puede apreciar un esquema de la estación para llevar a cabo el procedimiento según la primera alternativa. La estación consta de una estructura (5) de unos 9m de altura fija de la que cuelga el escáner láser (3), que se encuentra a unos 3-4m del módulo a verificar (1 ). La estructura está compuesta por dos postes verticales y otro horizontal uniendo dichos postes verticales en su parte superior. En la mitad del poste horizontal se encuentra un elemento de sujeción para el láser. En ambos postes verticales, un par de metros por encima del captador, hay unos soportes para los aspersores (6). El carro soporte o bastidor sobre el que va el módulo del captador, se posiciona debajo de esta estructura, de tal manera que el escáner láser queda en el centro de dicho módulo.
El escáner está conectado a un PC bien por cable o conexión inalámbrica, lo que permite accionarlo de manera remota.
Una vez se ha posicionado correctamente el módulo se llevan a cabo las siguientes acciones para realizar la caracterización y verificación de la pieza:
1 - Se accionan los rociadores o aspersores (6) que son preferentemente de tipo rotativo para cubrir la pieza con un elemento acuoso (4), por ejemplo una pintura al agua.
2- Una vez los espejos del módulo están recubiertos por dicho elemento acuoso, se realiza el escaneo que dura entre 5 y 10 minutos.
3- Una vez ha finalizado, el propio sistema transfiere los datos al PC para su posterior análisis.
4- Se limpia con agua el módulo, bien mediante el uso de mangueras por parte de uno o varios operarios o bien mediante el uso de aspersores o rociadores preferentemente de tipo rotativo.
Para el procedimiento según la segunda variante (figura 2), la estación consta de una estructura preferentemente metálica de unos 9m. de altura de la que cuelga el escáner, que se encuentra a unos 3-4m del módulo a verificar.
La estructura (5) está compuesta por dos postes verticales y otro horizontal que uno dichos postes verticales en su parte superior. En la mitad del poste horizontal se encuentra un elemento de sujeción para el láser (3). En ambos postes verticales, un par de metros por encima del captador, hay unos soportes donde se engancha el elemento textil o plástico (4). Estos soportes van sujetos a un mecanismo que sube y baja, que puede ser, entre otras realizaciones, uno o varios brazo(s) telescópico(s)(7) y uno o varios polipastos (8). El polipasto permite mover el brazo telescópico que a su vez va sujeto a la estructura soporte del elemento protector que puede ser textil o plástico, pero debe ser mate y preferentemente de color blanco. En cada vertical de la estructura, tanto a la derecha como a la izquierda, se dispone de uno o varios elementos de sujeción, por lo menos un brazo telescópico y un polipasto. Los brazos telescópicos de ambos lados se mueven de manera sincronizada.
Por otro lado los brazos telescópicos, van unidos al dispositivo que soporta el elemento protector.
Este dispositivo también lleva acoplados por lo menos dos cables tensores. Estos cables tensores, dotan de rigidez a la estructura. Dicho dispositivo a su vez, es tal que aporta libertad en los ejes al elemento protector, para poder adecuarlo correctamente una vez se encuentra sobre los espejos.
Este dispositivo consta, de una barra vertical rígida de aproximadamente de 1 m de largo cuyo extremo superior va sujeta al o los brazos telescópico(s) y cuyo extremo inferior va sujeto de una barra alargada de aproximadamente la longitud de la tela en dicho extremo y de la que cuelgan una serie de enganches al elemento protector. Estos enganches son de unos 10cm de largo y dotan de libertad de movimiento en los ejes al dispositivo.
A su vez, del extremo superior de la barra vertical, van unidos dos cables tensores. Estos cables tensores, van por tanto de dicha barra vertical a cada extremo final de la barra horizontal, dotando de rigidez al dispositivo.
Se definen dos posiciones, Posición 1 y Posición 2.
Posición 1 : el elemento que permite subir/bajar se encuentra recogido y por tanto el elemento protector queda a un par de metros por encima del captador. Posición 2: el elemento que permite subir/bajar se encuentra estirado y por tanto el elemento protector esta sobre los espejos.
El carro soporte o bastidor sobre el que va el módulo del captador, se posiciona debajo de esta estructura, de tal manera que el escáner láser queda en el centro de dicho módulo. El mecanismo que permite subir/bajar el elemento protector se encuentra en la posición 1 .
El láser escáner está conectado a un PC bien por cable o conexión inalámbrica, lo que permite accionarlo en remoto y recoger los datos.
Una vez se ha posicionado correctamente el módulo se llevan a cabo las siguientes acciones para realizar la verificación de la pieza:
1 - El sistema que posiciona el elemento protector se lleva a la posición 2 y uno o varios operarios comprueban que no existen arrugas en el elemento que cubre los espejos. Esta tarea se realiza en un par de minutos.
2- Una vez los espejos del módulo están cubiertos por dicho elemento se realiza el escaneo.
3- Una vez ha finalizado el propio sistema transfiere los datos al PC para su posterior análisis.
4- El sistema que posiciona el elemento protector se lleva a la posición 1 .
Gracias al escáner láser de diferencia de fase es posible caracterizar superficies cuyo foco es lineal.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Procedimiento para comprobar la geometría de captadores solares cilindro- parabólicos que comprende los siguientes pasos:
-posicionar la superficie reflectante (2) del captador o captadores(l ) frente un escáner láser 3D de diferencia de fase (3)
-cubrir la superficie reflectante del modulo del captador con un elemento protector anti-reflejante (4)
-efectuar un escaneo de la superficie mediante el escáner láser.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 donde el elemento protector (4) es un medio acuoso como una pintura al agua.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 donde el elemento protector (4) es una pieza textil o plástica.
4. Sistema para llevar a cabo cualquiera de los procedimientos 1 -3 que comprende un escáner láser 3D de diferencia de fase (3), una estructura de soporte para el escáner (5) y medios para proveer la superficie reflectante del captador con un elemento protector (4) y donde la estructura de soporte tiene unas dimensiones tales que permiten el desplazamiento de un carro de soporte del captador (1 ) bajo el mismo, quedando el láser (3) posicionado sobre el centro del captador.
5. Sistema según la reivindicación 4 donde los medios para proveer al captador con el elemento protector son al menos un rociador o aspersor (6) para pintura al agua.
6. Sistema según la reivindicación 5 donde los rociadores o aspersores (6) son de tipo rotativo.
7. Sistema según la reivindicación 4 donde los medios para proveer al captador del elemento protector son dos brazos telescópicos (7) y/o polipastos (8) con sujeciones para el elemento textil o plástico situados en la estructura de manera que el elemento protector pueda ser retirado y extendido sobre la superficie reflectante.
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