CENER,

La caracterización de la calidad óptica de los heliostatos de las plantas termosolares de tecnología de torre, más comúnmente denominada como caracterización de heliostatos, constituye una tarea esencial para verificar el estado del campo, controlar la distribución de la radiación solar reflejada en el receptor y, en definitiva, optimizar el rendimiento de las plantas.

Tradicionalmente la caracterización de heliostatos se hace secuencialmente, uno a uno, mediante el análisis por imagen del reflejo del sol que genera sobre una superficie plana (una pantalla), situada en lo alto de la torre junto al receptor. Este análisis se repite a lo largo de distintas orientaciones del heliostato y, por ende, en distintas posiciones solares hasta conseguir una detallada caracterización.

Dicha técnica es muy precisa y adecuada para la evaluación de prototipos en plataformas de ensayo o en centros tecnológicos y de investigación. Sin embargo, su aplicación en plantas comerciales, que contienen miles de heliostatos y la mayor parte de los mismos emplazados a grandes distancias (hasta 1.600 m), se convierte en una técnica imposible en términos prácticos a la hora de tratar con todo el campo en un tiempo razonable, ya que es propensa a errores y no resulta por lo tanto viable para muchos heliostatos. Estas dificultades se basan, principalmente, en las siguientes razones:

a) falta de uniformidad en las propiedades ópticas y el propio deterioro de la pantalla, dando como resultado imágenes de poca calidad y distorsionadas

b) el haz reflejado por los heliostatos desborda la pantalla, debido a la gran distancia entre la pantalla y el heliostato, impidiendo capturar todo el haz y haciendo imposible cualquier análisis posterior

c) la luz ambiental compite con el haz reflejado cuando tiene baja densidad de flujo de potencia, consiguiendo un contraste muy pobre en las imágenes e introduciendo grandes incertidumbres en el análisis.

Estas circunstancias pueden darse tanto en heliostatos alejados, en pequeños, en la combinación de ambos, o en heliostatos situados en la parte sur del campo (para una planta en el hemisferio norte), en las que la radiación del sol incide directamente sobre la pantalla. Todas estas deficiencias determinan que el método actualmente más extendido no es válido para caracterizar todos los heliostatos de las plantas solares de torre diseñadas en la¡ actualidad.

El sistema y el método de medida, desarrollados por CENER (Centro Nacional de Energías Renovables) y UNIZAR (Universidad de Zaragoza), que se presentan en este artículo, permiten solventar todos los
problemas descritos anteriormente y caracterizar heliostatos independientemente de la distancia y lugar en el que estén situados en el campo.

Sistema y método de medida
El sistema de medida es un dispositivo optoelectrónico que está compuesto por 24 detectores equidistantes y alineados verticalmente sobre una estructura portable de 15 metros de longitud, capaces de medir la radiación incidente. El diseño es
versátil, modular y puede modificarse en función de las necesidades específicas del campo de heliostatos en cuestión que se va a caracterizar. Esto significa que tanto el número de detectores como la distancia entre ellos, o las cualidades ópticas
de los mismos, entre otras características, pueden ajustarse consiguiendo una solución óptima técnicamente a la hora de caracterizar todos los heliostatos del campo.

Los detectores han sido específicamente diseñados para esta aplicación, lo que significa que son capaces de enfrentarse a un rango de radiación incidente muy amplio, continuamente variable y con cierto ruido introducido por la luz ambiental o el albedo
existente. Para abordar exitosamente este desafío, cada uno de los detectores implementa un fotodiodo de silicio, dos etapas de amplificación, un conversor analógico digital y un sensor de temperatura. Delante del fotodiodo se posiciona una lente convergente a una distancia igual a su distancia focal.

La primera etapa de amplificación es fija, mientras que la segunda consta de un potenciómetro digital que permite variar la ganancia automáticamente, para que sea acorde con la intensidad recibida. De esta forma se puede caracterizar con la misma
resolución el haz completo, desde el centro más luminoso hasta los extremos con menos densidad de potencia. El tamaño del fotodiodo y la focal de la lente determinan el ángulo de aceptancia del sistema óptico de captura, que a su vez establece el valor del factor de mejora respecto al sistema convencional. Cuanto menor es el ángulo de aceptancia, mayor es el factor de mejora. Por ejemplo, para un ángulo de aceptancia de 5°, se obtiene un factor de mejora de 132 y un campo de visión, a una distancia de 1.000 m del detector, igual a 175 m. Por tanto, existe un compromiso entre el factor de mejora y el campo de visión permitido, ambos dependientes del ángulo de aceptancia de la lente. La lente, en su función de reducir la luz de fondo en la medida (luz difusa del ambiente que rodea al heliostato), toma especial interés evitando que el sensor capte contribuciones no deseadas de otras fuentes de luz que pueden competir con el propio haz reflejado, como puede ser la radiación directadel sol o la reflejada por otros heliostatos.

Esto permite, por ejemplo, caracterizar heliostatos situados al sur de la torre (en el caso de plantas en el hemisferio norte), o varios de ellos al mismo tiempo. Además, el sistema cuenta con una cámara de tipo pinhole que, simultáneamente a las medidas que recogen los detectores, captura imágenes del heliostato bajo análisis. Así se obtienen las partes del mismo que efectivamente están reflejando en el sistema, ya que saldrán iluminadas en las imágenes y, con ello, se puede realizar una evaluación cualitativa del canteo o, lo que es lo mismo, la orientación del heliostato a lo largo de toda su superficie.

Método de medida
El método de medida asociado al sistema de caracterización está basado en una filosofía de no-movimiento mecánico por parte del heliostato. Es el propio movimiento del sol el que provoca que el haz reflejado se desplace y barra los detectores, posibilitando la medida de la distribución espacial de potencia del haz reflejado como si se tratase de un escáner. El tiempo necesario para capturar un haz completo depende de la velocidad del sol, tomando alrededor de 5 minutos por barrido. En ese tiempo el sistema es capaz de realizar medidas a una frecuencia cercana a 1 Hz.

Para comenzar la medida, se coloca el heliostato de forma que el haz reflejado quede a un lado de los detectores. Conforme el haz atraviesa el dispositivo se toman medidas simultáneas de todos los detectores. La ganancia de cada uno de ellos se acomoda, de forma automática e individual, a la intensidad detectada en cada momento. De ese modo se capturan, secuencialmente, franjas verticales del haz reflejado. Al ajustarse la ganancia de cada detector de forma individual se obtiene una medida mucho más precisa, ya que se evitan tanto las situaciones de saturación del detector como los niveles muy bajos en la señal.

Cada una de las franjas verticales medidas del haz reflejado es adquirida en tiempos y condiciones distintos. Por ejemplo, las variaciones en la irradiancia normal directa (DNI), el desplazamiento vertical (no deseado) del punto de enfoque, etc., son tomados en cuenta a la hora de normalizar y aglutinar todas las medidas para reconstruir la forma completa del haz. Posteriormente, y mediante el análisis de la forma del haz, se obtiene la calidad óptica del heliostato. Una gran ventaja que presenta este método es que se evitan introducir errores e incertidumbres del movimiento (generalmente discreto y paso a paso) de los motores e inercias del heliostato. Además, en el caso en el que la dimensión vertical del haz reflejado sea mayor que la longitud de la distribución de los detectores, se pueden llevar a cabo barridos de diferentes partes del haz hasta reconstruir el haz total.

Aplicaciones
Actualmente el sistema se encuentra en las instalaciones de ensayo de heliostatos pertenecientes a CENER, donde se está realizando su verificación. Concretamente, se están estudiando los límites de precisión máxima que pueden alcanzarse con el sistema, así como una comparación con los métodos del estado del arte.

Con esta configuración, el sistema es versátil y fácil de integrar en plantas comerciales ya existentes, por ejemplo, anclándolo a la propia torre, emplazándolo en zonas colindantes al campo de heliostatos, o siendo utilizado puntualmente de forma móvil como control de calidad durante el montaje y puesta en marcha de los heliostatos.

Hay otras posibilidades, como poner sistemas como los descritos, radialmente distribuidos y a diferentes alturas en la torre, para caracterizar, de forma simultánea, tantos heliostatos como dispositivos, sin que los haces reflejados influyan unos entre otros. Además, gracias a la portabilidad del sistema se pueden realizar varias caracterizaciones a diferentes distancias del heliostato y obtener de esta forma la caracterización completa del haz en 4D (posición espacial y valor de densidad de flujo), dando un paso de calidad notorio en la caracterización de heliostatos.

Teniendo en cuenta que la tendencia actual es construir plantas solares con campos de heliostatos más y más grandes, se hace evidente la necesidad de un sistema de caracterización preciso, rápido y que, en definitiva, rompa las barreras actuales
impuestas por los métodos tradicionales de caracterización de heliostatos. Consecuentemente, el sistema desarrollado se postula como la mejor alternativa.