El heliostato en la planta termosolar

Los componentes de un helióstato

Cada helióstato consta de los siguientes componentes:

🔆 El área reflectante

🔆 El sistema de control

🔆 El mecanismo de montaje y seguimiento.

El área reflectante está formada por varios espejos, con una superficie que puede alcanzar hasta 150 m 2 . Está diseñado para proporcionar la máxima reflexión con el mínimo peso, con el fin de no dañar el movimiento de dos ejes del helióstato.

El aumento de la superficie del helióstato mediante la implementación de superficies curvas fue en un intento de reducir los costos generales de construcción. Sin embargo, las superficies más grandes tienen el inconveniente de aumentar las pérdidas ópticas. Además, requieren un mantenimiento más frecuente.

El objetivo principal del sistema de seguimiento es el ajuste de la posición del helióstato para que siga la posición del sol. Se instala de tal manera que siempre refleje el haz hacia el receptor de la torre solar. El control del sistema de heliostatos es bastante complicado dado que cada heliostato está rastreando individualmente la posición del sol.

Los elementos y sus funciones

Para que un heliostato sea capaz de operar adecuadamente, debe cumplir con una serie de subfunciones que suelen estar asociadas a ciertos sistemas y componentes específicos. Así tenemos:

Subfunción Componente o sistema asociado

1) Reflejar radiación solar => Espejos

2) Fijar los espejos => Estructura de soporte

3) Fijación a tierra => Vigas y cimientos

4) Determinación de desfase => Control

5) Rotación de los espejos => Mecanismo motriz

Y para comprender bien en qué consiste cada uno de estos, se describen los sistemas y componentes asociados a continuación.

Espejos

Existen varias alternativas de superficies reflectantes en el mercado, siendo las más populares la película (o cinta) reflectante y el vidrio reflectante. Este vidrio puede tener un espesor que va desde 1 hasta 4 [mm] y se utiliza bastante puesto que no es caro, tiene alta durabilidad y una muy buena reflectancia. Por otro lado, la película reflectante aún se encuentra en etapas tempranas de desarrollo, pero muestra una alta reflectancia y posee la ventaja comparativa de ser muy ligera, lo que se traduce en costos estructurales mucho menores.

También es posible encontrar otros tipos de espejos, como es el metal pulido y los espejos plásticos, pero el problema que tienen estos es que poseen reflectancias muy bajas.

   Estructura de soporte

Existen numerosos diseños con diferentes áreas de captación, tipos de armadura, sistemas de sujeción y anclaje, etc. Pero los más populares en la industria caen en las siguientes categorías.

    Heliostato con paneles tipo sándwich

Son aquellos en donde los paneles reflectantes están formados por un espejo delgado, por un lado, una capa de acero por el otro y una espuma de poliuretano entre ambos. Todos sus bordes están sellados y enmarcados para prevenir contra la humedad.

Con respecto a la estructura esta suele estar compuesta de dos guías perpendiculares que pivotean con respecto a dos ejes, primario y secundario. Estas guías están unidas a un marco, el cual sostiene al panel reflectante que rota en torno a dos los ejes. La rotación se logra mediante dos ruedas, un en cada guía, las cuales permiten el movimiento del panel en torno a ambos ejes.

    Heliostato tipo T con marco de acero

Son aquellos en los cuales los espejos están fijos a una estructura de vigas. Esta confluye en un tubo horizontal que se une en su centro con el pedestal que soporta toda la estructura. Puesto que el acero y el vidrio poseen diferentes coeficientes de expansión volumétrica, es necsario que las uniones entre las vigas y los paneles tengan pasadores flexibles a modo de evitar esfuerzos en los espejos.

Estos diseños deben soportar grandes cargas en los extremos de los paneles. A veces se producen deformaciones por flexión en el tubo horizontal debido al peso propio de la estructura.

    Heliostato de espejo estampado

Son aquellos en que la estructura del soporte va estampada al espejo reflectante con algún adhesivo especializado. Aquí la flexibilidad del adhesivo compensa las diferencias de expansión térmica entre el metal y los paneles. Este tipo de soportes suele ocupar paneles ligeramente más delgados y menos componentes estructurales, lo que se traduce en una considerable disminución en el peso total de la estructura y una mayor facilidad de ensamblaje y fabricación. Algunos de estos también son en T.

Vigas y cimientos

Son los elementos encargados de anclar el heliostato al suelo, lo cual suele hacerse con cimientos de hormigón. Ésta suele ser la solución implementada porque provee al aparato de una base sólida a un precio razonable. Para desarrollarlo se debe construir una base de concreto sólida, a la cual el heliostato se une mediante métodos de sujeción mecánica, como pernos por ejemplo.

Otra práctica muy común consiste en excavar un hoyo en el suelo, al cual se le inserta el pedestal y luego se rellena con cemento el resto del hoyo.

Estas dos aplicaciones suelen emplearse para helióstatos grandes, puesto que requieren de bases sólidas que sean capaces de aguantar las cargas eólicas a las que se vea sometido el sistema. Para helióstatos más pequeños no se justifica dicho nivel de construcción.

Control

La misión del helióstato es reflejar la luz solar hacia un punto fijo de la forma más exacta posible. Por este motivo, los mecanismos de control deben ser capaces de determinar la orientación de los paneles reflectantes. También, deben considerar posibles desviaciones a modo de poder minimizar y corregir los desfases involucrados.

Dentro del sistema de control se encuentran: controladores, sensores, codificadores, interruptores de fin de carrera y procesadores. Todos ellos se encargan de transmitir señales al mecanismo motriz para que éste pueda direccionar el helióstato a la posición deseada.

Se suele tener dos tipos de algoritmo: lazo abierto y lazo cerrado.

Lazo cerrado (“Closed-loop”)

Utiliza un sistema de sensores ópticos para controlar la posición de los paneles. Estos sensores suelen ir montados directamente sobre el helióstato. Se utilizan para detectar la posición del sol y la del objetivo mediante procesamiento de imagen.

Esta información permite al sistema de control orientar el espejo de forma que el punto céntrico entre las imágenes captadas coincida con el punto medio entre el sol y el receptor.

Lazo abierto (“Open-loop”)

Este algoritmo se basa en el principio de que la posición del sol es totalmente predecible durante todo el año. A partir de ello, estos sistemas calculan dónde se encuentra el sol y envían señales al mecanismo motriz para que este mueva a los espejos a lo largo de la trayectoria solar ya predeterminada. Estos sistemas funcionan muy bien. Sin embargo, su eficiencia se ve altamente alterada cuando la estructura sufre deformaciones. Eso genera que la reflexión se distorsione y no llegue al receptor como corresponde. Por lo cual, estos sistemas deben estar bien mantenidos y calibrados.

En ambos sistemas se puede tener dos opciones de redes: cableadas o no cableadas. Las redes cableadas son aquellas en las cuales todos los helióstatos se conectan a un sistema central de control. Esto se utiliza en plantas comerciales donde los campos de helióstatos poseen una gran área de colección.

Este tipo de redes no es la opción económicamente más viable cuando se tiene helióstatos pequeños. En estos casos, el coste de cableado sube mucho. Para estos casos conviene usar redes no cableadas, en donde cada helióstato funciona de forma independiente. Una forma habitual para lograr esto es alimentar el heliostato mediante un panel fotovoltaico. Así se suministra la corriente necesaria para su sistema motriz, y el sistema es controlado a través de una red WiFi.

El mecanismo motriz del heliostato

Aquí hay dos grandes aspectos a considerar en la motricidad del heliostato: transmisión del movimiento y fuente de poder.

Transmisión de movimiento

Aquí los aspectos críticos a considerar son la relación de transmisión y la precisión. Los helióstatos requieren una muy baja velocidad de rotación. Al mismo tiempo, pero un torque muy alto. Esto requiere que los motores rotatorios tengan altas relaciones de transmisión. Por otro lado, una de las dificultades más grandes radica en los pasos de giro por revolución de estos. Cada motor avanza una cantidad específica de ángulos por cada paso recorrido (“degrees per-step”). Esto implica que si se requiere una rotación angular que no sea múltiplo del número de ángulos por paso disponibles en el motor, el movimiento no será preciso.

Existen numerosos mecanismos y componentes que posibilitan la transmisión dependiendo de la potencia, velocidad y exactitud requerida. Los elementos más utilizados son las correas de transmisión, piñones, cremalleras, tornillos sin fin, ruedas de fricción, engranajes, pernos, tuercas, etc.

Fuente de poder

Actualmente existen dos tipos de tecnologías aplicables a helióstatos: Motores rotatorios electromagnéticos y accionadores hidráulicos.

Los motores rotatorios son una solución muy atractiva. Pueden generar movimiento para aplicaciones que requieren tanto grandes como pequeñas cantidades de energía. Estos motores son fáciles de mantener y como se fabrican a gran escala, tienen precios asequibles. Por lo general se suelen utilizar motores de corriente directa o sino motores asíncronos de corriente alterna.

Los accionadores hidráulicos son más utilizados en aplicaciones de alta potencia. Esto involucran bombas hidráulicas, servo-válvulas, controladores electrónicos y motores rotatorios hidráulicos. Como estos trabajan con fluidos, se generan desgastes en sus sellos y componentes. Por lo tanto, es necesario realizar mantenimiento de manera constante, lo cual también eleva el coste.

Otro aspecto a considerar en los heliostatos

Los helióstatos no solo están expuestos al sol, también al viento. Esto implica que los cimientos, la estructura, los engranajes y todo su diseño debe considerar las cargas eólicas del lugar de ubicación. Numerosos estudios demuestran que en zonas ventosas se producen turbulencias que generan cargas importantes en los componentes de estos sistemas. Por eso, es importante tomar en consideración las condiciones de la zona para ver cómo estas podrían afectar en el funcionamiento del heliostato.

Los efectos del viento en helióstatos se pueden dividir en dos: carga eólica estática y dinámica. Por un lado, la carga estática depende del cuadrado de la velocidad del viento. Una pequeña variación en la velocidad implica una diferencia significativa en la carga percibida. Una forma tradicional de reducir las cargas estáticas consiste en instalar una reja porosa en el perímetro del módulo reflectante. Así, se minimiza la separación del flujo y se logra reducir el torque causado por el viento en hasta un 40%.

Esta reducción se traduce en hasta un 30% menos de material requerido en la estructura del helióstato y sus cimientos, lo cual disminuye considerablemente los costos totales.

También se puede reducir las cargas estáticas poniendo una reja porosa horizontal alrededor del helióstato (en vez de sobre él), con esto se logra disminuir en hasta un 40% la fuerza horizontal y los torques percibidos por los helióstatos.

Por otro lado, la carga dinámica va ligada a la formación de vórtices por detrás del helióstato. Esto genera turbulencias que pueden hacer vibrar y resonar la estructura. Una posible solución para esto es aumentar la rigidez de la estructura de soporte.

Avances tecnológicos en campos de heliostatos

✅ Helióstatos automáticos para aumentar el rendimiento termosolar

El rendimiento de los helióstatos se ha convertido en un área clave de investigación de plantas termosolares para reducir sus costes. Los heliostatos pueden llegar a suponer la mitad de los costes de inversión de una central de CSP. Por otro lado, la falta de alineación puede afectar gravemente al rendimiento. Un problema que se hace más notable en los proyectos de mayor envergadura debido a que las distancias entre los helióstatos y la torre de CSP son mayores.

Un claro ejemplo, lo encontramos en la gigantesca central de torre de Ivanpah de 377 MW. Es una de las mayores plantas termosolares del mundo, y está ubicada en California. En esta impresionante central tuvieron problemas de posicionamiento de los helióstatos causados por la suciedad y las tormentas de viento. Esto provocó que el complejo termosolar no cumpliera los objetivos de producción en sus primeros 24 meses de vida. En 2016, dos años después de que entrará en operación, la falta de alineación de los helióstatos provocó un incendio en la sección de una de las torres de la central. Esto supuso una disminución de la producción en una tercera parte durante más de un mes.

La solución aportada fue la colocación de cámaras de última generación y herramientas de automatización. Se colocaron sistemas de helióstatos de calibración automática. Estas soluciones podrían presentar múltiples beneficios, como la aceleración los tiempos de construcción y una mejora del rendimiento de la central.

 ✅ Helióstatos de calibración automática

Otro caso de éxito lo encontramos en Photon. Un proyecto europeo de 2 millones de euros liderado por la empresa española Tewer Ingenieria. Esta ha integrado la calibración automática en un nuevo diseño del heliostato.

Tewer y sus socios (Acciona Industrial, Aalborg CSP, el Instituto de Investigación Aplicada F y Modern E-Technologies) han desarrollado un compuesto para los helióstatos. Se trata de una especie de sándwich de vidrio-espuma-vidrio de curvatura esférica. Este evita los problemas de bloqueo y la falta de alineación inducida por la temperatura.

El sistema permite lograr una calidad óptica de 0,6 milirradianes (mrad) de desviación. Esta cifra mejora los 2 mrad de desviación de los modelos de helióstatos de última generación existentes. Los socios han integrado la tecnología con un sistema de comunicación inalámbrica autónomo, que está alimentado por energía fotovoltaica. Esta solución permite facilitar la calibración automática.

El helióstato aprende de su cinemática aplicable al seguir el sol con un sensor incorporado en el plano superficial. Además, el sistema evita la necesidad de cimientos, zanjas y cableado en el campo de los helióstatos. Por lo tanto, reduce el coste. ACWA Power diseño la central de torre Redstone de 100 MW, ubicada en Sudáfrica. Se estima que este sistema ha reducido los gastos de capital en un 29,7 % y los gastos de explotación en un 8,8 %.

✅ Los helióstatos de calibración escalable

Los grupos españoles Cener e IK4-Tekniker han desarrollado un sistema de calibración escalable de helióstatos. Se denomina SHORT, por sus siglas en inglés. Este sistema identifica las faltas de alineación por grietas y vuelve a calibrarse en menos de una hora.

En este sistema, hay una cámara conectada a un helióstato de bajo coste y orientada a varios objetivos ubicados en posiciones conocidas. Esto permite a la cámara comparar la posición real con la esperada. Este proceso se repite en diversas posiciones con objeto de adquirir datos que permitan al helióstato modificar las órdenes de seguimiento.

El procedimiento puede automatizarse de manera que no se requiera interacción humana. Las pruebas han confirmado precisiones superiores a 0,25 mrad.

✅ La calibración del heliostato con algoritmos

Una empresa americana CSP Heliogen ha creado una solución informática vanguardista. Está innovación supera los límites actuales de rendimiento, incluso con sistemas de helióstatos de bajo coste. Heliogen ha desarrollado un sistema autónomo que calibra los helióstatos con base en un algoritmo de “circuito cerrado”.

El sistema utiliza cámaras y un software avanzado de visualización por ordenador. Sirve para alinear los helióstatos con mayor precisión y aumentar la eficiencia solar. Las pruebas han demostrado que el incremento en la precisión de la luz solar reflejada puede propiciar temperaturas superiores a los 1000 °C.

Se puede lograr una alta precisión de enfoque con errores de vector normal submilirradianos. Para ello, se emplea un sistema de transmisión de coste comparativamente bajo. El controlador de circuito cerrado puede corregir las faltas de linealidad y otras variabilidades de fabricación. Anteriormente, un controlador de circuito abierto encontraría difíciles o imposibles de corregir.

La tecnología de calibración inteligente puede acortar notablemente los tiempos de instalación. Además, reduce los costes de construcción al permitir la calibración simultánea de los helióstatos. Este sistema evita el largo proceso de calibración del campo de helióstatos. Ha logrado realizar la alineación en días. No en meses, como se necesitaba anteriormente para poner en funcionamiento el campo de heliostatos .

Las soluciones de calibración automática permiten también utilizar métodos de implantación más rápidos y de bajo coste para los helióstatos. Esto reduce aún más los costes de la mano de obra. Las ventajas de semejante instalación serían mayores en ubicaciones con grandes requerimientos de obra civil y altos precios de mano de obra.

Los nuevos helióstatos aumentarán la rentabilidad de las plantas termosolares

Todos los promotores ven una buena oportunidad de adaptar su tecnología de helióstatos calibrados automáticos a las centrales existentes. Al incrementar la precisión de los helióstatos, se pueden proponer campos de heliostatos de menor tamaño y a un coste inferior.

CURSOS RECOMENDADOS DE ENERGÍAS RENOVABLES

MÁS ARTÍCULOS DE ENERGÍAS RENOVABLES