Diseño de un helióstato polar innovador y simplificado para la integración en edificios y entornos urbanos

Abstract

Los heliostatos son dispositivos que se utilizan, normalmente, en aplicaciones orientadas a la utilización de la radiación solar directa como fuente de iluminación natural, aunque también se proponen como elementos de sistemas de concentración para aplicaciones térmicas y fotovoltaicas. La mayor parte de los desarrollos tecnológicos publicados sobre heliostatos hacen referencia a las centrales termosolares de concentración en torre, por lo que utilizan heliostatos de grandes dimensiones y con grandes distancias entre el reflector y el foco. Sin embargo, la creciente mejora en la sostenibilidad energética de los edificios ha dado lugar al incremento de utilización de heliostatos en pequeñas aplicaciones, que utilizan dispositivos pequeños en los que las distancias recorridas por los rayos reflejados son menores, lo que hace que sean admisibles mayores errores en el seguimiento solar. En esta Tesis Doctoral, tras una revisión de la evolución de los heliostatos, sus fundamentos físicos y geométricos y sus aplicaciones, se ha diseñado, desarrollado e implementado un nuevo sistema heliostático polar simple de polígono deformable con un grado de libertad, que se regula mediante una sola variable en función del tiempo. En base al análisis de los errores de apuntamiento del dispositivo, se ha comprobado que éste es adecuado para pequeñas aplicaciones. Además, el diseño propuesto permite, que el receptor se encuentre situado tanto en el eje polar como girado con respecto al mismo, destacando como principal característica e innovación frente a otros heliostatos comerciales la posibilidad de gobernar diferentes heliostatos con un único motor utilizando una lógica sencilla y de fácil implementación en controlador electrónico

Heliostats are devices normally used in applications to harness sunlight as a source of natural lighting. Additionally, they are also proposed as concentration systems for thermal and photovoltaic applications. Most papers about heliostat technological developments refer to concentration solar power tower systems, based on large heliostats and long distances between the reflector and the focus. However, the growing improvement in energy sustainability of buildings has led to the increased use of heliostats in urban applications, based on small devices in which the distances traveled by the reflected rays are shorter and, consequently, bigger solar tracking errors are acceptable. In this thesis, a review of the evolution of the heliostats, their physical and geometric fundamentals and applications is presented. Based on it, a new single polar heliostat system is designed, developed and implemented. This device consists on a deformable polygon with a degree of freedom, control by a unique variable dependent on time. From the analysis of the pointing errors of the device, it has been found that this is suitable for small applications. Furthermore, the proposed design can be used in applications where the focus is located along the polar axis or in a different axis rotated with respect to the previous one. Finally, it is important to highlight as an innovative feature of this device that, contrary to commercial ones, with the design proposed it is possible to control different heliostats with an only motor by means of a simple logic of easy implementation in an electronic controller.