HELIÓSTATO DE FOCO LINEAL Y MÉTODO DE OPERACIÓN
OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN La presente invención se refiere a la realización de un nuevo helióstato de óptica cilindrica y montura seudo-horizontal, cuyo cometido es el de distribuir y estabilizar la luz solar reflejada en su superficie a lo largo de una dirección definida sobre un determinado blanco a lo largo del día. Esta dirección de concentración de la radiación solar es la que resulta de proyectar la generatriz central de la óptica cilindrica del helióstato sobre la superficie del blanco. El campo de aplicación de la invención sería las plantas termo-solares de receptor central cuyo diseño demande que la distribución de la energía solar reflejada por el campo de helióstatos siga una dirección preferente sobre dicho receptor. Dado que la imagen del Sol dada por un helióstato convencional sobre un blanco es circular, esta distribución direccional de la energía se ha venido logrando tradicionalmente en centrales termo- solares convencionales mediante técnicas de operación basadas en estrategias de apunte sobre grupos de helióstatos. Las centrales eléctricas termo-solares del tipo torre, o receptor central, basan su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos. Entre las características funcionales de los helióstatos se encuentra su capacidad para concentrar la radiación solar en el receptor o caldera, para lo cual se les dota de una superficie reflectante de geometría esférica y montura mecánica del tipo denominado horizontal. Exceptuando algunos requerimientos muy básicos acerca de la calidad óptica de su superficie reflectante, su capacidad de apunte o su factor de ocupación del terreno, el resto de los parámetros de diseño de un helióstato, tales como geometría, tamaño, control, o tipo de mecanismo de accionamiento, han venido impuestos tradicionalmente por criterios esencialmente económicos. Es llamativo el hecho de que el diseño del helióstato no haya venido hasta ahora, en ninguno de sus parámetros, condicionado por el tipo de receptor solar sobre el que ha de distribuir la energía radiante que refleja del Sol. Sin embargo, los grandes receptores solares presentan una geometría en la que al menos una de sus dimensiones es mucho mayor que las otras, tales como receptores cilindricos tubulares o volumétricos. En todos estos proyectos se ha constatado el hecho de que la imagen del Sol generada por helióstatos esféricos es mucho menor que las dimensiones del propio receptor solar, lo cual es un grave inconveniente, ya que la irradiación completa de éste exige apuntar los helióstatos a lo largo de toda su superficie
con algún criterio o estrategia determinados, que se encomiendan al sistema de control de apunte del campo de helióstatos. Puesto que ya no se apunta a un solo lugar sobre el receptor, los algoritmos de control básicamente han de dispersar estratégicamente la radiación que previamente ha sido concentrada por cada helióstato. Este hecho esencialmente contradictorio y de éxito cuestionable, pues pone en riesgo el rendimiento y la propia integridad del receptor solar, ha llevado a reflexionar sobre la conveniencia de revisar los parámetros de diseño del helióstato, de forma que la distribución de irradiancia dada por cada helióstato sobre el receptor solar se adapte en origen a la forma geométrica de éste y que, en consecuencia, las estrategias de control de apunte sean minimizadas o incluso suprimidas. La revisión de estos parámetros de diseño involucra a la óptica, al mecanismo de apunte y a la orientación de su emplazamiento dentro del campo de helióstatos. Como diseño alternativo al convencional, se propone el helióstato de foco lineal y montura seudo - horizontal, objeto de la presente invención. A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe: - Energía solar: energía radiante que proviene del Sol y que llega a la superficie terrestre con una intensidad y composición espectral características. - Helióstato: Espejo de gran distancia focal, dotado de movimiento en dos ejes y cuya misión es reflejar, concentrar y mantener estática la imagen del Sol en un determinado lugar a lo largo del día. - Óptica cilindrica: Superficie reflectante de revolución obtenida al girar un segmento de longitud arbitraria en torno a un eje paralelo a éste, denominado eje de revolución de la óptica cilindrica. - Helióstato cilindrico: helióstato provisto de óptica cilindrica. - Eje geométrico de un helióstato cilindrico: Es el eje de revolución de su óptica cilindrica. - Eje óptico de un helióstato cilindrico: línea recta virtual que pasa por los centros de la óptica cilindrica, blanco y Sol, supuestos alineados, y corta ortogonalmente al eje geométrico del helióstato. - Plano central de un helióstato cilindrico: plano que contiene a los ejes geométrico y óptico. - Generatriz central de un helióstato cilindrico: De todas las generatrices del helióstato cilindrico, aquella que está contenida en su plano central. - Rayo principal incidente: el que proviene del centro del disco solar y corta en el punto medio de la generatriz central de la óptica del helióstato.
- Rayo principal reflejado: el que proviene del punto medio de la generatriz central de la óptica del helióstato y corta en el punto medio del blanco.
- Plano de reflexión: El que contiene al rayo principal incidente y al rayo principal reflejado. - Plano principal objeto de un helióstato cilindrico: Plano que contiene a la generatriz central y al rayo principal incidente.
- Plano principal imagen de un helióstato cilindrico: Plano que contiene a la generatriz central y al rayo principal reflejado.
- Línea focal de un helióstato cilindrico: Lugar geométrico de intersección con el plano central de los rayos solares reflejados en su superficie óptica, supuestas las trayectorias de incidencia de dichos rayos paralelas al eje óptico. En incidencia no paralela al eje óptico, la línea focal se desplaza al plano principal imagen y modifica sus características genuinas debido al astigmatismo, pasando a ser una seudo-línea focal. - Eje primario de un helióstato cilindrico: Eje de giro del helióstato coincidente con la generatriz central de éste.
- Eje secundario de un helióstato cilindrico: Eje de giro del helióstato que es ortogonal al eje primario.
- Montura horizontal: Dispositivo mecánico de orientación en dos ejes de un helióstato respecto a un sistema topocéntrico de coordenadas horizontales, denominadas acimut y altura. El plano fundamental es el horizonte del observador y el punto fundamental es el Norte verdadero. La orientación del helióstato, en función de la evolución diurna del Sol en este mismo sistema de coordenadas, se consigue mediante giros acimutales (arcos de horizonte desde el punto fundamental) y de altura o cenitales (arcos ortogonales al plano horizonte en dirección al cénit del observador). El eje mecánico de giro acimutal es ortogonal al plano del horizonte y de orientación fija. Por el contrario, el eje de giro cenital es paralelo al plano del horizonte y de orientación variable, debido a la existencia de una ligadura mecánica entre ambos movimientos, que provoca el "arrastre" del eje cenital cada vez que el giro acimutal acontece.
- Montura seudo-horizontal: Variante de la montura horizontal, mediante la cual la orientación del helióstato se consigue a través de giros en torno a los ejes primario y secundario del helióstato, ortogonales entre sí pero arbitrariamente orientados respecto al plano del horizonte, y suponiendo la posición del Sol dada en coordenadas horizontales. La posición del eje mecánico de giro
cenital es fija y su orientación no se refiere ya al plano del horizonte, sino al plano principal imagen del helióstato, respecto al que ha de ser necesariamente ortogonal. El eje mecánico de giro acimutal ha de ser ortogonal al mencionado eje cenital y, por tanto, se halla íntegramente contenido en el plano principal imagen del helióstato, siendo su orientación variable en dicho plano debido a la existencia de una ligadura mecánica entre ambos movimientos, que provoca el "arrastre" del eje acimutal cada vez que el giro cenital acontece.
- Facetas: Elementos especulares individuales de que se compone la superficie reflectante de algunos helióstatos.
- Alineación o canteo de un helióstato: Acción de orientar las facetas de tal forma que la intersección de todos los ejes ópticos de éstas se halle sobre el eje óptico del helióstato, a una distancia al vértice de éste doble de su focal. La alineación dota de focal al helióstato, supuesta faceteada su superficie reflectante.
- Declinación: Variación de la altura del Sol sobre el ecuador celeste cuando la tierra, a lo largo del año, recorre su trayectoria (la eclíptica) alrededor del Sol.
- Campo de helióstatos: También denominado concentrador primario, es un conjunto de helióstatos dispuestos en un terreno acotado y cuya misión es el aporte de energía radiante a un blanco o receptor.
- Receptor solar: Dispositivo que intercepta y absorbe la radiación solar proporcionada por un campo de helióstatos, con objeto de transferirla mediante un intercambiador de calor al bloque de potencia de la planta.
- Blanco lineal: Receptor solar que debe recibir la energía radiante a lo largo de una línea (o al menos una de sus dimensiones es mucho mayor que las otras).
- Planta termo-solar de receptor central: planta de producción de energía eléctrica que basa su estrategia de operación en el aporte de calor a un determinado ciclo termodinámico convencional, mediante la concentración de la radiación solar por un elevado número de helióstatos sobre un único receptor.
- Estrategia de apunte: Procedimiento de operación de una planta termo-solar que consiste en definir un conjunto de coordenadas sobre el receptor a donde deben apuntar cada uno de los helióstatos del campo para conseguir la distribución de energía requerida sobre éste.
- Estrategia dinámica de apunte: Es una estrategia de apunte en la cual las coordenadas sobre el receptor cambian con el tiempo, siguiendo determinados criterios de control. - Linea focal confinada: Condición determinada por la óptica y el mecanismo de orientación del helióstato respecto al movimiento aparente del Sol, por la que la orientación del plano principal imagen del helióstato permanece invariante y, en consecuencia, la orientación de su línea focal se estabiliza sobre el blanco Es decir, orientando la óptica para seguir al Sol en su movimiento diurno puede conseguirse que la radiación reflejada por el helióstato, agrupada er torno a su línea focal, se distribuya permanentemente sobre un blanco lineal. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los primeros helióstatos considerados como elementos industriales se desarrollaron a inicios de la década de los ochenta para las plantas experimentales termo- solares de receptor central, con el propósito de probar la viabilidad de la energía solai térmica en los procesos de producción de electricidad a escala industrial. La tabla 1 resume los proyectos realizados debido a la iniciativa internacional:

Tabla 1. Proyectos internacionales de plantas termo-solares de receptor central 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 colaborador entre los gobiernos alemán y español, constituyéndose la Plataforma Solar de Almeríé (PSA). En USA 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 abri de 1999.
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 helióstatos y receptores solares. La tabla 2 resume los prototipos de helióstatos desarrollados en la actualidad y sus características ópticas y mecánicas.

Tabla 2. Modelo de helióstato y sus características óptica y mecánicas Como se aprecia en la tabla 2, todos los helióstatos descritos han tenido óptica esférica, es decir, cualquier haz de rayos paralelos al eje óptico converge una vez reflejado en un solo punto, denominado foco o punto focal. Su objetivo es, por tanto, la reproducción de la imagen del Sol en un determinado blanco, en contraste con el helióstato de óptica cilindrica, objeto de la invención, cuyo propósito no es la reproducción de la imagen del Sol, sino la distribución de su energía radiante a lo largo de una dirección preferente. Desaparece así el concepto de punto focal, sustituyéndose por el de línea focal; es decir, cualquier haz de rayos paralelos al eje óptico converge una vez reflejado a lo largo de una línea, denominada línea focal. Pero el helióstato cilindrico de línea focal confinada necesita de dos requerimientos adicionales, que son la inmovilidad y la orientación específica del eje
secundario. Dicho eje, como tal, no existe en ninguno de los helióstatos reseñados, puesto que todos son esféricos. No obstante, la tabla 2 muestra que únicamente el helióstato esférico HELLAS dispone de eje mecánico cenital fijo de orientación no- específica para cada helióstato, sino general Este-Oeste para todos los helióstatos del campo; ya que el eje secundario como tal no existe, su inmovilidad responde únicamente a criterios mecánicos, sin repercusión en el rendimiento óptico, cual es el objeto de la presente invención. Los problemas que plantea la utilización de helióstatos esféricos quedan perfectamente reflejados en el documento US 3,892,433 de Martin Marietta, en el cual se describe una instalación para producir energía eléctrica utilizando la energía solar concentrada por un campo de helióstatos esféricos sobre un blanco circular. Con objeto de seguir al sol durante su variación diurna de altura y acimut, la superficie reflectora de cada helióstato debe poder pivotar alrededor de un eje horizontal, que es orientable a su vez alrededor de un eje vertical. Como se muestra en la figura 4 de dicho documento, una tal solución introduce diversos errores de astigmatismo debidos a la incidencia de la luz fuera del eje óptico de los helióstatos lo que provoca, por un lado, una dispersión de la energía como consecuencia de que el foco no coincide con el plano del receptor, y por otro lado, un escoramiento de la imagen a lo largo del día. Se comprende que este escoramiento será especialmente perjudicial si se pretende pasar del concepto de punto focal al de línea focal, sustituyendo los reflectores esféricos por reflectores cilindricos. Son conocidos asimismo propuestas de utilización de helióstatos cilindricos con movimiento de orientación en un solo eje en plantas solares con receptor de tipo lineal, tanto a pequeña escala (US 3,861 ,379) como a gran escala (US 4,141 ,626). Así, el dispositivo concentrador de foco lineal descrito en el documento de patente US 3,861 ,379 de Anderson, comprende una pluralidad de reflectores planos rectangulares dispuestos con diferentes ángulos de inclinación para concentrar la luz del sol sobre un colector de agua caliente domestica situado por encima y a corta distancia de los reflectores. El ángulo de incidencia de los reflectores varia simultáneamente durante el día para que la imagen reflejada del sol incida en todo momento sobre el colector. Dado que no se persigue un elevado rendimiento, la inclinación del dispositivo respecto al plano del movimiento aparente del sol es fija. Es decir, no se tiene en cuenta la variación de la declinación del sol durante el año, previéndose a lo sumo dos posiciones, de invierno y verano, entre las que se conmuta manualmente. Como consecuencia, el foco lineal se desplaza longitudinalmente sobre el receptor a lo largo del año, aunque sin graves consecuencias dada la pequeña distancia focal. Una tal solución solo puede funcionar
para dispositivos de baja potencia y distancia focal muy corta, como son las aplicaciones de agua caliente domestica. También se ha propuesto corregir los errores de astigmatismo mediante la utilización de ópticas de geometría variable tal como la descrita en el documento de patente US 4,141 ,626 de FMC Corporation en el que se modifica durante el día la curvatura de la superficie reflectante del helióstato. Esta modificación será máxima durante el solsticio de verano y mínima en el de invierno, debido a las posiciones extremas (máximas y mínimas, respectivamente) de los ángulos acimutal y altura del Sol sobre el horizonte. El documento citado utiliza cierto tipo de helióstatos con superficie reflectante cilindrica deformable, que apuntan a un blanco horizontal, orientado en sentido Este-Oeste, siendo paralelos al mismo los ejes primarios de dichos helióstatos, mientras que el eje secundario como tal no existe, y la deformación de la imagen por astigmatismo se compensa mediante una acción sobre la superficie reflectante cilindrica, variando su focal. Una tal solución elimina la dispersión de la imagen, mejorando considerablemente el enfoque y, dada la orientación del eje primario de los helióstatos paralela al blanco, suprime el escoramiento, pero no puede evitar que el foco lineal se desplace longitudinalmente sobre el blanco a lo largo del día. Este desplazamiento es muy importante al trabajarse con distancias focales elevadas por lo que, siendo la longitud del blanco limitada, se reduce considerablemente el numero de horas de operación del dispositivo. Obsérvese que si dotamos a este dispositivo de un segundo eje vertical para seguir el movimiento horario del sol, tal como lo preconizado por Martin Marietta, conseguiríamos la inmovilización longitudinal del foco lineal sobre el blanco a lo largo del día pero, en contrapartida, se produciría un escoramiento del foco lineal al no mantenerse ya el paralelismo del eje primario del helióstato con el blanco. En determinados casos se propone la utilización de helióstatos cilindricos con blanco móvil lineal asociado, y movimiento de orientación en dos ejes para seguimiento del sol. Así, el documento US 5,253,637 de Maíden plantea el problema de los colectores solares de reflector y blanco fijos, los cuales presentan elevadas pérdidas y una severa limitación del número de horas de utilización. La solución propuesta consiste en acoplar un receptor lineal sobre un reflector cilindrico de eje primario horizontal susceptible de girar respecto a un eje secundario vertical. De esta forma el foco lineal no presenta escoramiento dado que se trata de un dispositivo de blanco móvil unido al reflector. Si bien es cierto que en Maiden existe un plano principal imagen (el eje primario y el blanco lineal son paralelos por construcción), este es un plano móvil, necesariamente inclinado, y en consecuencia nunca puede ser perpendicular al eje secundario vertical. Maiden resuelve el problema del
escoramiento a cambio de hacer móvil el blanco lineal, lo que implica que este solo puede llevar asociado un único reflector, con la consiguiente limitación de la potencia absorbida por el mismo. Finalmente, en el documento GB 2 063 465 de Jubb, el problema planteado es el del bajo rendimiento de las células fotoeléctricas como dispositivo generador de energía eléctrica. La solución propuesta consiste en dividir el espectro luminoso mediante una ranura de difracción, haciendo incidir cada tramo de longitud de onda sobre distintos grupos de células fotoeléctricas especialmente adaptadas a cada longitud de onda. Como en el documento anterior, se trata de un conjunto de reflector cilindrico con blanco móvil asociado, en disposición horizontal. En conclusión, ninguno de los helióstatos conocidos anteriormente dispone de los requerimientos exigibles a un cilindrico de altas prestaciones y sencillez de construcción y operación como el que es objeto de la invención. El problema planteado es el del escoramiento de la línea focal sobre un blanco fijo independiente del helióstato, y podría resolverse mediante un accionamiento en tres ejes, de tal manera que necesitaríamos dos ejes para seguir al sol en su variación diurna de altura y acimut, y un tercer eje para corregir el escoramiento. Una tal solución es cara y compleja de realización. En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un helióstato de tal forma construido y operado que sea capaz de seguir al sol en su movimiento diurno, manteniendo una imagen lineal sin escoramiento sobre un blanco lineal fijo situado a considerable distancia. Es otro objetivo de la presente invención el disponer de un helióstato que, cumpliendo las condiciones anteriores, pueda operarse mediante su accionamiento en dos ejes.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Para alcanzar el objetivo propuesto el plano principal imagen del helióstato objeto de la invención deberá permanecer inmóvil en el espacio y contener al blanco lineal, lo que podrá conseguirse combinando los siguientes elementos: 1. Una superficie reflectante de óptica cilindrica o cilindro-parabólica, indistintamente, que debe poder girar alrededor de un eje primario coincidente con la generatriz central de la superficie reflectante. 2. Una estructura consistente en un soporte móvil susceptible de girar respecto a un eje secundario perpendicular al eje primario, siendo el eje primario solidario del soporte móvil.
3. Orientación específica del eje secundario, perpendicular a un plano principal imagen, inmóvil en el espacio, que contiene en todo momento al blanco lineal y al eje primario. 4. Un accionamiento primario para hacer girar la superficie reflectante alrededor del eje primario y un accionamiento secundario para hacer girar el soporte móvil alrededor del eje secundario, gobernados ambos por un dispositivo de control. Como aspectos relevantes de la realización de la invención nos detendremos especialmente en la geometría de la superficie reflectante, su orientación diurna, la estructura que relaciona el eje primario y el eje secundario, y el confinamiento de la línea focal. Geometría de la superficie reflectante. La superficie reflectante del helióstato objeto de la invención posee geometría cilindrica o cilindro-parabólica en lugar de la esférica convencional, que concentra la radiación solar no sobre un punto focal sino sobre una línea focal, de longitud concordante con la dimensión de la dirección preferente de distribución de la energía pretendida sobre un determinado blanco. Esta superficie puede ser de una pieza o faceteada, en cuyo caso las facetas son asimismo cilindricas o cilindro- parabólicas y con distancia focal previsiblemente idéntica a la de la superficie envolvente que resulta de alinearlas cilindricamente. La generatriz central de esta superficie reflectante (faceteada o no) debe ser coincidente con el eje primario del helióstato y, por tanto, ortogonal al eje secundario de éste. A efectos prácticos puede admitirse que la generatriz central y el eje primario no sean exactamente coincidentes si son paralelos y muy próximos y en este sentido se utilizara la palabra "coincidentes" en el presente documento. El propósito de esta geometría es el de sustituir el punto focal de los helióstatos convencionales por una línea focal, paralela por construcción a la generatriz central del cilindro, y cuya longitud, a incidencia normal, coincide con la dimensión de ésta. El resultado es una distribución de la energía radiante del Sol reflejada por el helióstato a lo largo de una dirección preferente sobre el blanco. Orientación diurna de la superficie reflectante para lograr el apunte. Como cualquier helióstato, el cilindrico de línea focal confinada necesita orientarse en el espacio con objeto de que los rayos procedentes del Sol y reflejados en su superficie impacten en el blanco. Esto se consigue mediante la intervención de sendos mecanismos de accionamiento, que giran dicha superficie un determinado ángulo en torno a los ejes primario y secundario, previo cálculo del vector solar y dirección del rayo reflejado por un dispositivo de control. Estructura del conjunto. La especial disposición de los ejes primario y secundario que se acaba de describir constituye un cambio radical respecto a la disposición utilizada
en los helióstatos convencionales. En estos, el eje primario de orientación acimutal de la superficie reflectante es vertical y permanece inmóvil en el espacio. La razón es fundamentalmente económica, ya que es muy favorable soportar dicho eje primario en el propio pedestal del helióstato, que lo sujeta al terreno. Dicho pedestal suele estar constituido por un tubo metálico vertical, el cual puede alojar en su interior los cojinetes de giro del eje primario que, de esta forma, queda oculto en el propio pedestal. Una tal disposición es absolutamente inadecuada para cumplir la condición de confinamiento sobre el blanco de la línea focal. La solución propuesta consiste en relacionar directamente con el pedestal no el eje primario sino el eje secundario, con lo que el eje primario de movimiento acimutal es arrastrado libremente durante el movimiento cenital alrededor del eje secundario, que ahora queda en una orientación fija en el espacio. Confinamiento de la línea focal. El confinamiento (inmovilidad) de la línea focal de la superficie cilindrica descrita anteriormente, se consigue mediante la inmovilización de la orientación del eje secundario del helióstato en su procedimiento sistemático de apunte a un blanco durante el día. Esta inmovilización del eje secundario inmoviliza también al plano principal imagen y, por tanto, a la intersección de éste con la superficie del blanco, que es el lugar geométrico donde se distribuye la irradiancia (línea focal). Como quiera que la posición de la línea focal sobre el blanco depende de la intersección del plano principal imagen con el plano del blanco, y que la orientación de dicho plano principal imagen depende de la orientación del eje secundario del helióstato, se sigue que la orientación de aquélla puede modificarse a voluntad con sólo orientar (e inmovilizar) dicho eje secundario. En resumen, el confinamiento de la línea focal (es decir, inmovilidad y orientación del eje secundario) por los medios anteriores va a posibilitar el que la línea focal de la superficie reflectante se oriente según la dirección a donde se pretende distribuir la luz concentrada por ésta sobre un elemento receptor (blanco lineal) y, lo que es más importante, que la mantenga estática en dicha dirección, sin que la reflexión de la luz fuera del eje óptico logre escorarla ya que, en todo momento, la línea focal yace sobre el plano principal imagen, inmóvil, quedando "confinada" a lo largo del día. El helióstato cilindrico objeto de la invención, aventaja claramente al helióstato esférico convencional en aquellas aplicaciones en que la energía radiante del Sol reflejada sobre un determinado receptor requiera ser específicamente concentrada a lo largo de una línea o dirección preferente. En este caso la forma de la distribución de flujo sobre el receptor ya no es gaussiana circular o elíptica, sino que tendrá un perfil gaussiano en una dirección y recto en la dirección ortogonal, que coincide con la de la línea focal del helióstato. Las ventajas que se derivan de este hecho son, básicamente:
1. Perfil de irradiancia individual por defecto de cada helióstato sobre el blanco coincidente con el de diseño para la totalidad del campo, lo que evita la construcción de éste último mediante una composición de perfiles gaussianos individuales de irradiancia (estrategia de apunte). 2. Distribución global de irradiancia más estable sobre el receptor, por cuanto no hay escoramiento (giro sobre el plano del blanco de cada una de las distribuciones individuales de irradiancia) a lo largo del día, debido a la inmovilidad y orientación del eje geométrico secundario de los helióstatos. 3. Perfil de irradiancia orientable, ya que el mecanismo permite orientar el eje geométrico secundario del helióstato en cualquier dirección. 4. Amortiguamiento de los clásicos picos de irradiancia por causas diversas durante la operación, tales como desenfoques espurios de helíóstatos (averías, pérdidas de control), presencia de nubes sombreando parcialmente el campo de helióstatos, pérdida de comunicaciones, etc. Ello se debe a que el perfil por defecto de cada helióstato no admite la presencia de picos abruptos de concentración. 5. Ausencia de estrategias dinámicas de apunte, lo que permitirá una operación relajada y más segura de la planta, ya que cada helióstato apuntará a lo largo de la operación rutinaria a un solo lugar. 6. Simplificación del procedimiento de alineación o canteo del helióstato faceteado ya que no hay dos direcciones de alineación sino una. Ello reduce el tiempo de puesta a punto del helióstato en campo. 7. Alivio de tensiones en la superficie reflectante del helióstato, ya que, al ser cilindrica, eliminamos una de las curvaturas. Este hecho alargará previsiblemente la vida media de dicha superficie.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para completar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: La figura 1 muestra una planta termo-solar de receptor central donde puede utilizarse el helióstato de la invención. La figura 2 representa un detalle del receptor mostrando la imagen circular del sol producida por un helióstato convencional de superficie reflectante esférica.
La figura 3 representa un detalle del receptor mostrando la imagen alargada del sol producida por una superficie reflectante cilindrica a mediodía. La figura 4a muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en montaje convencional, por la mañana. La figura 4b muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en montaje convencional, a mediodía. La figura 4c muestra la imagen alargada del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en montaje convencional, por la tarde. La figura 5a muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en el montaje de la invención, por la mañana. La figura 5b muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en el montaje de la invención, a mediodía. La figura 5c muestra la imagen del sol producida por una superficie reflectante cilindrica en el montaje de la invención, por la tarde. La figura 6 muestra una vista en perspectiva trasera de la montura "horizontal" de un helióstato con superficie reflectante cilindrica. La figura 7 muestra una vista en perspectiva trasera de una montura "seudo - horizontal" de una variante del helióstato de la invención con superficie reflectante cilindrica. La figura 8 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención, en configuración general. La figura 9 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención en una realización preferida en el que el blanco lineal se dispone vertical y el soporte móvil es de tipo horquilla. La figura 10 muestra un alzado del helióstato objeto de la invención en una realización preferida en el que el blanco lineal se dispone vertical y el soporte móvil es recto, dando lugar a una configuración de la superficie reflectante en "badajo". La figura 1 1 muestra una vista lateral del helióstato de la figura 9. La figura 12 muestra una vista en planta del helióstato de la figura 9. La figura 13 muestra, esquemáticamente, las posiciones de la tierra respecto al sol durante los solsticios. La figura 14 muestra, esquemáticamente, uno de los dispositivos conocidos en la técnica anterior y su disposición en relación con el recorrido aparente del sol respecto al plano del suelo para los solsticios y equinoccios, La figura 15 muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial en que se fundamenta la invención.
La figura 16 es un alzado de la figura 15. La figura 17a muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial de un helióstato de montaje convencional. La figura 17b muestra, esquemáticamente en perspectiva, la geometría espacial de un helióstato con el montaje de la invención. La figura 18a muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento acimutal de un helióstato de montaje convencional. La figura 18b muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento acimutal de un helióstato con el montaje de la invención. La figura 19a muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento cenital de un helióstato de montaje convencional. La figura 19b muestra, esquemáticamente en perspectiva, el movimiento cenital de un helióstato con el montaje de la invención. Se hace notar que las figuras 1 a 7 corresponden al campo de aplicación de la invención, técnica anterior y necesidad de la invención, las figuras 8 a 12 corresponden a la descripción estructural de la invención, y las figuras 13 a 19 corresponden a la explicación del modo de funcionamiento de la invención. En dichas figuras las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos. 1. Superficie reflectante. 2. Soporte móvil. 3. Eje primario. 4. Accionamiento primario. 5. Eje secundario. 6. Accionamiento secundario. 7. Pedestal. 8. Dispositivo de control. 9. Eje cenital. 10. Plano principal imagen. 11. Blanco lineal. 12. Sol. 13. Tierra. 14. Eje de giro norte - sur de la tierra. 15. Eclíptica. 16. Suelo. 17. Plano aparente en los equinoccios.
18. Plano aparente en el solsticio de verano. 19. Plano aparente en el solsticio de invierno. 20. Plano principal objeto. 21. Plano bisectriz. 22. Rayo principal incidente. 23. Rayo principal reflejado. 24. Plano de reflexión. 25. Eje óptico. 26. Torre. 27. Reflectores planos. 28. Colector. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA La figura 1 muestra una planta termo - solar de receptor central, donde se ha representado un detalle de la zona de la torre en que se ubica el blanco. En una instalación convencional, con heliostatos de superficie reflectante esférica, la imagen proyectada por cada uno de ellos sobre el blanco es circular, tal como se ve en la figura 2. Si, como es el caso, una dimensión de este es considerablemente mayor que la dimensión transversal será necesario recurrir a una estrategia de apunte de los distintos heliostatos para cubrir el blanco. Alternativamente, y según se aprecia en la figura 3, la utilización de una superficie reflectante cilindrica permite cubrir la totalidad del blanco con un solo heliostato. De esta forma todos los heliostatos del campo apuntan al mismo lugar, simplificándose considerablemente la operación de la planta. Sin embargo, si nos limitamos a equipar un heliostato de montaje convencional con una superficie reflectante cilindrica solo obtendremos una imagen vertical a mediodía tal como se representa en la figura 4b. Por la mañana la imagen aparecerá escorada en un sentido (figura 4a), mientras que por la tarde la imagen escorará en sentido contrario (figura 4c). Puesto que el objetivo es que la imagen no escore a lo largo del día, tal como se representa en las figuras 5a, 5b y 5c, deberemos modificar el montaje de la superficie reflectante. En la figura 6 se muestra el montaje convencional de un heliostato al que se ha equipado de una superficie reflectante cilindrica. La imagen proyectada sobre el blanco corresponde a lo representado en las figuras 4a, 4b y 4c. Obsérvese como el eje primario (3) se introduce en el pedestal (7), mientras que el eje secundario (5) es "arrastrado" por el propio eje primario (3). Denominaremos a una tal configuración como "7-3-5" según las referencias numéricas utilizadas.
La solución propuesta, para obtener una imagen sin escoramiento pasa, como condición previa, por inmovilizar el eje secundario tal como se ha explicado anteriormente. En la figura 7 se muestra el nuevo montaje utilizado en el heliostato de la invención, en el que el eje secundario (5) está relacionado directamente con el pedestal (7), mientras que el eje primario (3) es "arrastrado" por el propio eje secundario (5). Denominaremos a una tal configuración como "7-5-3" para distinguirla de la configuración "7-3-5" convencional, resaltando que presenta un comportamiento funcional radicalmente distinto. Mas adelante justificaremos la necesidad de esta elección para alcanzar el objetivo propuesto. Aún cuando el montaje de la figura 7 es funcionalmente correcto, no resulta muy práctico desde un punto de vista constructivo. Además, la no coincidencia entre el eje primario (3) y la generatriz central de la superficie cilindrica reflectante puede introducir ciertas aberraciones de enfoque. Finalmente, tal como puede apreciarse en la figura 7, podría producirse una interferencia del propio pedestal (7) en el movimiento de la superficie reflectante. En la figura 8 se muestra una realización preferida desde el tipo de vista constructivo, en la que no se ha introducido restricción alguna en cuanto a la orientación del blanco. El helióstato objeto de la invención comprende una superficie reflectante (1 ), cilindrica o cilindro-parabólica, capaz de girar mediante un accionamiento primario (4) alrededor de un eje geométrico primario (3) solidario de un soporte móvil (2) que, a su vez, es capaz de girar alrededor de un eje geométrico secundario (5) perpendicular al eje geométrico primario (3) y que forma un ángulo de inclinación α con el eje cenital (9), mediante un accionamiento secundario (6). Ambos accionamientos (4) (6) están gobernados por un dispositivo de control (8). El conjunto esta soportado por un pedestal (7) cuyo diseño debe ser tal que permita el movimiento de la superficie reflectante (1) y del soporte móvil (2) sin interferir con el propio pedestal (7). La superficie reflectante (1) es, preferiblemente, de óptica cilindrica o cilindrico-parabolica. En una realización particular, que denominaremos de montaje cenital, se dispone el blanco lineal (11 ) en posición vertical sobre una torre (26) con lo que la línea focal, al coincidir con el mismo, será también vertical, lo que conduce a una disposición como la mostrada en las figuras 9, 10, 11 , 12, 15 y 16, en la que el eje secundario (5) es horizontal y el eje primario (3) esta contenido en el denominado plano principal imagen (10), vertical. La figura 10 muestra una variante del helióstato de la invención con un solo punto de apoyo de la superficie reflectante (1 ), para constituir una configuración de tipo "badajo" en contraposición a la configuración de tipo "horquilla" mostrada en la figura 9. Una tal
solución, muy simple, presenta sin embargo unas mayores solicitaciones en el único punto de sujeción del eje primario (3) al soporte móvil (2). Haciendo referencia ahora a las figuras 12, 15 y 16 podemos observar como el eje primario (3) está contenido en el plano principal imagen (10), que a su vez contiene a la línea focal del helióstato, y al blanco lineal (11 ). Para que el eje primario (3) este contenido en todo momento en el plano principal imagen (10), el eje secundario (5) deberá ser perpendicular al plano principal imagen (10), y por tanto horizontal, por lo que queda definido durante el montaje inicial del helióstato, no dependiendo su orientación mas que de la posición relativa del helióstato respecto al blanco. El montaje inicial de un helióstato como el descrito es muy sencillo, bastando en una primera fase con disponer vertical el eje primario (3) para que quede contenido en un plano vertical que pase por el blanco lineal (11) para, en una segunda fase orientar el eje secundario (5) de forma perpendicular a dicho plano. Para poder explicar el método de operación de un tal helióstato y refiriéndonos a las figuras 13 y 14 realizaremos una introducción somera al movimiento aparente del sol respecto a la tierra, lo que en todo caso será sobradamente conocido por el experto en la materia. En la figura 13 se ha representado, muy esquemáticamente, la posición de la tierra (13) en su movimiento alrededor del sol (12) cuando recorre la eclíptica (15). Debido a la inclinación del eje de giro norte - sur de la tierra (14), respecto al plano de la eclíptica (15) en un ángulo de 23 grados 27 minutos, los rayos del sol (12) inciden sobre un punto de la superficie terrestre con un ángulo de incidencia variable a lo largo del año. Este ángulo de incidencia será máximo en el solsticio de verano (posición A) y mínimo en el solsticio de invierno (posición B). La posición de la tierra (13) para los equinoccios correspondería en esta figura a un eje perpendicular al plano de la misma sobre la posición en la que se ha representado el sol (12). En la figura 14 se muestra, muy esquemáticamente, el movimiento aparente del sol respecto al suelo (16), habiéndose representado el plano aparente en los equinoccios (17), el plano aparente en el solsticio de verano (18) y el plano aparente en el solsticio de invierno (19). El observador O verá el orto y el ocaso del sol desviado hacia el norte (N) en el solsticio de verano (V) y desviado hacia el sur (S) en el solsticio de invierno (I), mientras que en los equinoccios el sol sale por el este y se pone por el oeste con un recorrido aparente de 180 grados. En la figura 14 se ha representado, asimismo, el concentrador solar de Anderson tal como se describe en US 3,861 ,379. Si el conjunto de reflectores planos (27) se dispone perpendicular y centrado respecto al plano aparente en los equinoccios (17), la imagen del sol convertida en una línea será proyectada sobre el colector (28) solo en los equinoccios, sufriendo para los demás dias del año un desplazamiento longitudinal sobre el mismo que será
máximo en los solsticios. Esta penalización es el resultado inevitable del control en un solo eje, y en el caso del concentrador de Anderson es admisible debido a la pequeña distancia focal "d". Refiriéndonos ahora a las figuras 11 , 12, 15 y 16, para un helióstato como el descrito en la presente invención el método de operación reside, básicamente, en gobernar los dos accionamientos (4) (6) de tal manera que se asegure que la energía radiante reflejada por el helióstato incida en todo momento sobre el blanco lineal (11 ) a lo largo de cada día y para todos los dias del año. Según la ley de la reflexión especular, el rayo principal incidente (22) y el rayo principal reflejado (23) están en el mismo plano de reflexión (24), y el eje óptico (25) del helióstato debe estar asimismo sobre la recta bisectriz de ambos rayos principales, definida esta bisectriz como intersección del plano de reflexión (24) con el plano bisectriz (21) del plano principal objeto (20) y del plano principal imagen (10). Esto exige: • Un movimiento del accionamiento primario (4) para llevar el eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) un ángulo lateral γ sobre el plano bisectriz (21 ). Ver figura 12. • Un movimiento del accionamiento secundario (6) para, teniendo en cuenta que las posiciones del sol y del blanco están predefinidas, variar el ángulo de elevación β del soporte móvil (2), con objeto de llevar al eje óptico (25) de la superficie reflectante (1) sobre el plano de reflexión (24). Ver figura 11. A continuación analizaremos, en un ejemplo simplificado, el funcionamiento paso a paso de un helióstato convencional y del helióstato de la invención resaltando las razones que conducen a la especial estructura y disposición de este ultimo. La figura 17a muestra esquemáticamente un helióstato de óptica cilindrica y montura convencional horizontal, del tipo representado en la figura 6, en posición de reposo, con el eje primario vertical, orientada su superficie reflectante hacia el Sur que es donde además se supone que esta el blanco (la orientación de dicha superficie viene fijada por la dirección y sentido del vector unitario normal ñ que pasa por su centro). La generatriz central g de dicha superficie cilindrica está contenida en el plano π del meridiano del lugar y es, por construcción, normal al plano del horizonte astronómico local. Según la figura 17a, si proyectáramos dicha generatriz central en dirección Sur sobre un plano π' normal al horizonte, la línea resultante seguiría contenida en el meridiano del lugar. Veamos cómo afecta el movimiento de orientación del helióstato a esta proyección de su generatriz central y sus consecuencias desde un punto de vista óptico. Debido a la naturaleza de su montura mecánica, el helióstato se orienta en el espacio euclídeo por
medio de dos mecanismos de giro: a) el mecanismo de giro acimutal Ω
acim, que se ejecuta en torno a un eje vertical al plano del horizonte, denominado eje primario (3), y que coincide normalmente con el eje del pedestal del helióstato; y b) el mecanismo de giro cenital Ω
cβnι que se ejecuta en torno a un eje paralelo al plano del horizonte, denominado eje secundario (5) y que coincide normalmente con el brazo soporte horizontal del helióstato. Supongamos que el Sol se encuentra ahora, por la mañana, en algún lugar sobre el plano del horizonte, de forma que el helióstato -obedeciendo a las leyes de la Óptica Geométrica- necesita orientarse en este sistema coordenado para reflejar y mantener la imagen del Sol sobre un receptor solar fijo, con forma alargada y vertical, situado en lo alto de una torre a lo largo del día. Tal y como se estableció anteriormente, el helióstato debe forzosamente alcanzar la orientación para el correcto apunte al blanco fijo ejecutando dos giros bien definidos. El primero de ellos, de acuerdo con la figura 18a, es el giro acimutal Ω
acim en torno al eje primario, cuyo ángulo de giro suponemos de una magnitud w
acιm. De la figura se deduce asimismo que la orientación del eje primario no se altera con el giro pero, debido a una ligadura mecánica entre ellos, como consecuencia de este primer giro el eje secundario abandona su orientación inicial y gira exactamente un ángulo de magnitud w
βcιm. En la nueva orientación, la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante del helióstato va a proyectarse sobre la base de la torre, todavía con todos sus rayos contenidos en el planq π del meridiano del lugar. Como quiera que el receptor solar está arriba de la torre, el helióstato deberá ejecutar ahora el segundo giro que aún le falta para elevar la imagen al punto deseado. La figura 19a muestra el giro cenital Ω
cβn de magnitud w
Cθn que debe ejecutar en torno al eje secundario para alcanzar el objetivo. La cuestión fundamental es ahora: ¿en qué posición se encuentra después de este segundo giro la generatriz central g del helióstato? Al haberse alterado la orientación del eje secundario debido al giro acimutal, y girar ahora la superficie reflectante en torno a éste, la generatriz central g se inclina sobre el plano del horizonte al tiempo que abandona también el plano del meridiano del lugar. Desde un punto de vista óptico, la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie cilindrica va a proyectarse sobre el receptor solar en lo alto de la torre, pero sus rayos ya no están íntegramente contenidos en el plano del meridiano del lugar. Sumariamente, el procedimiento de apunte del helióstato ha tenido como consecuencia geométrica el sacar del plano meridiano tanto la generatriz central como su proyección sobre el blanco y, en consecuencia para la óptica, el de escorar la línea focal sobre dicho blanco, perdiendo así el requisito de verticalidad. Es decir, la imagen lineal dada por el helióstato se adapta al receptor solar en cuanto a la forma (alargada), pero no en cuanto
al requisito de orientación (vertical). Las consecuencias sobre la distribución de irradiancia solar sobre el receptor lineal se muestran en la figura 4 a través del análisis de las líneas de isoflujo de energía. La figura 17b muestra esquemáticamente un caso particular de helióstato de óptica cilindrica y montura seudo - horizontal, similar al de la figura 10, en posición de reposo, con el eje primario vertical, orientada su superficie reflectante hacia el Sur (la orientación de dicha superficie viene fijada por la dirección y sentido del vector unitario normal ñ que pasa por su centro). La generatriz central g de dicha superficie cilindrica está contenida en el plano π del meridiano del lugar y es, por construcción, normal al plano del horizonte astronómico local. Según la figura 17b, si proyectáramos esta generatriz central en dirección Sur sobre un plano TΓ' normal al horizonte, la línea resultante seguiría contenida en el meridiano del lugar. Veamos de nuevo cómo afecta el movimiento de orientación del helióstato objeto de la invención a esta proyección de su generatriz central y sus consecuencias desde un punto de vista óptico. Debido a la naturaleza de su montura mecánica seudo - horizontal, el helióstato se orienta en el espacio euclídeo por medio de dos mecanismos de giro: a) el mecanismo de giro acimutal Ω
ac¡
m. que se ejecuta en torno a un eje ortogonal al plano del horizonte, denominado eje primario (3) y cuya orientación coincide con la de la generatriz central del helióstato; y b) el mecanismo de giro cenital Ω
cβn, que se ejecuta en torno a un eje paralelo al plano del horizonte, denominado eje secundario (5) y que coincide en este caso con el brazo soporte horizontal del helióstato. Supongamos que el Sol se encuentra ahora en algún lugar sobre el plano del horizonte, de forma que el helióstato -obedeciendo a las leyes de la Óptica Geométrica- necesita orientarse en este sistema coordenado para reflejar y mantener la imagen del Sol sobre un receptor solar fijo, con forma alargada y vertical, situado en lo alto de una torre. Tal y como sucedió con el modelo convencional, el helióstato propuesto debe forzosamente alcanzar la orientación adecuada ejecutando dos giros bien definidos. El primero de ellos, de acuerdo con la figura 18b, es el giro acimutal
cuyo ángulo de giro suponemos de una magnitud w
az. De la figura se deduce también que la orientación del eje primario no se altera con el giro; asimismo, debido a la especial relación mecánica entre ambos ejes, el eje secundario no altera tampoco su orientación inicial como consecuencia del primer giro Ω
aci
m- La familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante del helióstato va a proyectarse sobre la base de la torre, pero con todos sus rayos contenidos aún en el plano π del meridiano del lugar. Como quiera que el receptor solar está arriba de la torre, el helióstato deberá ejecutar ahora el giro que aún le falta para elevar la imagen al punto deseado. La figura 19b
muestra el giro cenital Ω
cβn de magnitud w
Cθn que debe ejecutar en torno al eje secundario para alcanzar el objetivo. La cuestión esencial es ahora: ¿en qué posición se encuentra después de este segundo giro Ω
cβn la generatriz central del helióstato? Al no haberse alterado la orientación del eje secundario, y girar ahora la superficie cilindrica en torno a éste, la generatriz central se inclina respecto al horizonte, pero continúa íntegramente contenida en el plano π del meridiano del lugar. Desde un punto de vista óptico, el resultado es que la familia de rayos solares reflejados en la generatriz central de la superficie reflectante cilindrica va a proyectarse sobre el receptor solar en lo alto de la torre, pero con todos sus rayos contenidos en el plano del meridiano del lugar. Sumariamente, el resultado geométrico del procedimiento de apunte del helióstato ha sido el de confinar sobre el meridiano del lugar tanto la generatriz central de la superficie cilindrica reflectante como su proyección sobre el blanco y. en consecuencia, la línea focal del sistema óptico permanece vertical sobre éste para cualquier posición solar. Es decir, la imagen dada por el helióstato, se adapta al receptor solar tanto en forma (alargada) como en orientación (vertical) para cualquier momento del día. Las consecuencias sobre la distribución de irradiancia solar sobre el receptor lineal, para una posición arbitraria del Sol, se muestran en las figuras 5a, 5b y 5c a través del análisis de las líneas de isoflujo de energía. Serán evidentes para un experto en la materia una serie de alternativas de realización que permitan adaptar el diseño a las condiciones especificas técnicas y económicas de cada realización concreta. Así, por ejemplo, en la descripción de una realización preferida, representada en la figura 9, el soporte móvil (2) tiene forma de "horquilla" pero es evidente que podrá obtenerse el mismo resultado practico con cualquier otro montaje de sujeción de los ejes primario y secundario, incluyendo la superficie reflectora colgada en una disposición de tipo "badajo", tal como la representada en la figura 10. Igualmente, el experto conoce sobradamente el movimiento relativo de la tierra y el sol a lo largo del año, por lo que podrá determinar la actuación del dispositivo de control (8) para asegurar que la imagen reflejada del sol incida en todo momento sobre el blanco lineal (11 ), a lo largo de cada día y para todos los dias del año.