Fraunhofer ISE desarrolla un sistema de calibración y control para campos de helióstatos que abarata un 5% los costes de la termosolar

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE ha completado el proyecto HelioControl, consistente en el desarrollo de un sistema de calibración y control basado en el procesamiento de imágenes digitales para campos de helióstatos. Con este método, los puntos objetivo de muchos helióstatos se pueden determinar por primera vez durante la operación de manera oportuna y rentable.

En las plantas de energía solar térmica de torre concentrada, puede haber varios cientos, decenas de miles o incluso cientos de miles de espejos que concentran los rayos del sol en un absorbedor central (receptor) en la parte superior de una torre ubicada en el centro. El calor generado se transfiere a un medio de transferencia de calor (por ejemplo, sal fundida), que se utiliza para generar vapor y accionar una turbina. Junto con una unidad de almacenamiento térmico, el calor almacenado también se puede utilizar para generar electricidad por la noche.

Dado que los espejos que siguen al sol reflejan la radiación a distancias de hasta un kilómetro, incluso una pequeña desviación angular de los puntos de mira conduce a grandes pérdidas en la eficiencia de la central eléctrica. Aunque el sistema de control establece la posición del espejo usando un algoritmo de seguimiento solar, no se sabe si existen desviaciones entre las coordenadas objetivo y reales o lo grandes que pueden ser estas desviaciones durante el funcionamiento.

Durante la construcción de la central eléctrica, los helióstatos se alinean con precisión y se recalibran y ajustan periódicamente mediante parámetros de control mientras funcionan. Sin embargo, esta medida exige un tiempo y unos costes considerables a los operadores de centrales eléctricas de grandes campos de helióstatos con muchos miles de espejos.

Control basado en procesamiento de imágenes digitales

El objetivo del proyecto HelioControl, que fue financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania BMWi, era desarrollar un sistema de control y calibración basado en cámaras para campos de helióstatos.

Durante el funcionamiento, los puntos objetivo de los espejos individuales se identifican a partir de la distribución de densidad de flujo concentrado total. Se graba un video del receptor irradiado con una cámara. Modulando un movimiento periódico del espejo, se introduce una firma en la distribución de densidad de flujo en el receptor, que puede asociarse al espejo individual y su contribución.

Usando diferentes frecuencias, los puntos de mira de varios espejos se pueden determinar simultáneamente. "Mediante el procesamiento de imágenes digitales, se determina el punto objetivo real del helióstato. Si este se desvía del punto objetivo, los valores se transfieren al control del helióstato para su corrección", explica Gregor Bern, director de proyecto de Fraunhofer ISE.

Para el nuevo método, el equipo del proyecto Fraunhofer ISE desarrolló un software que permite medir los puntos objetivo en paralelo durante la operación. Después de las pruebas de laboratorio, el sistema se implementó en el campo de helióstatos de la central eléctrica de torre Themis en Francia. Los resultados son prometedores. Los objetivos determinados a partir de las imágenes suelen estar a solo unos pocos milímetros del objetivo real. El circuito de control de bucle cerrado también se realizó con éxito.

"Teóricamente se pueden medir hasta dos helióstatos por segundo en paralelo con el sistema HelioControl. Esto significa que una central eléctrica del tamaño de Noor III en Marruecos con 7.400 heliostatos individuales puede recalibrarse en menos de una hora en lugar de varias semanas como se hacía anteriormente", dice Gregor Bern.

Al medir los objetivos y hacer el reajuste correspondiente, se reducen las demandas sobre la precisión intrínseca de los accionamientos y sobre el juego de engranajes en la transmisión de potencia. La alineación precisa y homogénea de los puntos de mira también evita los denominados "puntos calientes", es decir, regiones locales con una temperatura excesiva, que pueden causar daños graves al receptor. Esto aumenta tanto la vida útil como la eficiencia térmica del receptor, ya que se puede operar más cerca de la temperatura máxima.

Utilizando modelos de simulación, el equipo del proyecto calculó la velocidad de medición, los ahorros potenciales y posiblemente un mayor consumo operativo de los motores de helióstatos. Los investigadores calcularon un potencial de ahorro en el campo de al menos un 5% para un modelo de referencia. Se trata de una cantidad considerable teniendo en cuenta las inversiones de varios cientos de millones de euros para una central eléctrica.

Dado que el algoritmo HelioControl utiliza interfaces orientadas a la industria, se puede integrar fácilmente en plantas de energía existentes. También se puede utilizar para la calibración óptima de helióstatos durante la construcción de centrales eléctricas. Actualmente, el equipo del proyecto Fraunhofer ISE está buscando más socios para la demostración y la aplicación comercial de este enfoque en grandes centrales eléctricas de torre.