Calibración de Helióstatos Mediante Visión Artificial en Plantas Solares Basadas en Torre

Author(s):
Javier Bezares del Cueto - BCB Informática y Control

Industry:
Energy/Power

Products:
LabVIEW, IMAQ Vision

The Challenge:
Calibración automática y continua de helióstatos (espejos de grandes dimensiones), analizando imágenes obtenidas a casi 500 metros de distancia, de las proyecciones de los discos solares sobre una zona de la torre, llamada diana, de la primera central solar termoeléctrica comercial del mundo.

The Solution:
Utilización del compilador gráfico de National Instruments, junto a las librerías de imagen (IMAQ Libraries), el driver Modbus y el toolkit SQL (para comunicación con bases de datos).

Resumen:

Este proyecto ha supuesto la calibración automática para ajustar el offset de los dos motores (azimut y elevación) de todos los helióstatos de una central termosolar basada en torre. El uso de la visión artificial ha permitido el mejor aprovechamiento de la energía térmica al concentrarla más eficientemente sobre el receptor.

Artículo:

El gran interés de las energías renovables ha permitido grandes inversiones en la construcción de un nuevo tipo de centrales termosolares basadas en la tecnología de torre y espejos. Un número considerable de grandes espejos situados sobre una gran superficie reflejan la radiación solar concentrándose en un punto. Los espejos, helióstatos, se mueven sobre dos ejes de giro con el fin de conseguir que a lo largo del día, siguiendo al sol, la potencia lumínica reflejada por cada espejo en el receptor de la torre sea máxima.

BCB ha realizado para las  plantas solares termoeléctricas PS-10 y PS-20 (en construcción) de Abengoa Solar y realizadas por Abener, situadas en Sanlúcar la Mayor, en Sevilla, la calibración automática, utilizando visión artificial, de los 624 helióstatos en el caso de la PS-10, y 1.255 para la PS-20. Cada uno de ellos tiene una gran superficie reflectante.

En particular, el proyecto pionero de la PS-10, que se diseñó para producir 23 GWh anuales, supuso el desarrollo de la primera central comercial basada en torre del mundo, tras la experiencia recogida en la Plataforma Solar de Almería, perteneciente al CIEMAT,  durante más de 25 años.

BCB ha desarrollado una aplicación a la medida, totalmente innovadora, basada en visión artificial para la captura, análisis y tratamiento de las imágenes de la proyección de los discos solares (PDS) de los helióstatos sobre la diana situada bajo el receptor en la torre. Para ello se ha utilizado LabView 8.5 y las librerías de imágenes, para la parte de visión artificial. La comunicación con las cámaras ha sido IP (sobre GigaEthernet para garantizar el ancho de banda necesario), utilizando para su telemando un protocolo RS-232  encapsulado. Además ha sido necesario un driver para la comunicación con el bus de campo con el subsistema de control mecánico de los espejos. Toda la información generada (numérica, alfanumérica e imágenes) se ha guardado en una base de datos utilizando el toolkit SQL de LabView.

Básicamente, se trata de ajustar automáticamente el offset de un eje coordenado frente al otro, marcado por un final de carrera (cada espejo tiene dos motores, azimut y elevación) de cada uno de los helióstatos. Hay que recordar que en los helióstatos más alejados, a una distancia muy lejana, por ejemplo, un pequeña discrepancia de un mili-radian supondría bastantes metros de difereancia a la hora de concentrar su energía en el receptor, y por tanto una merma en la energía generada.

Entonces, cíclicamente, según un programa preestablecido se muestrea la proyección de cada helióstato sobre una diana de calibración, verificando  que apunten correctamente al receptor, y que generen la máxima potencia eléctrica a partir de la energía solar.

En el sistema, además, se han integrado diversas ayudas a la explotación de la planta, como es otra cámara de gran rango dinámico que apunta al receptor, e incluso una tercera situada en lo alto de la torre que permite la visualización del campo de helióstatos.

La cámara blanco y negro, GigaEthernet y megapixel que apunta al receptor está situada a casi 500 m de la torre, y  permite, debido a su gran rango dinámico, la captura y análisis de imágenes resultados de la proyección de los discos solares de todos los helióstatos, logrando la supervisión (y posible control) de una manera sencilla de la calidad del apunte al receptor y por tanto de la energía eléctrica generada.

La otra cámara situada en lo alto de la torre, es telemandada automáticamente (zoom, pan y tilt motorizados), permitiendo, una visualización global de todos los espejos situados en el campo de helióstatos.

En general, siempre la iluminación de los sistemas de visión artificial es controlada, para así garantizar un buen funcionamiento. Pero en este caso, por la propia definición del sistema, la iluminación en absoluto ha sido “controlada” al trabajar con el sol y en condiciones atmosféricas reales. Eso ha supuesto una dificultad adicional, a la hora del diseño y puesta en marcha del proyecto.

Después del éxito de la construcción y explotación de la PS-10, se está realizado la PS-20, siendo el doble en número de helióstatos y en potencia generada (llegando a los 20 Megawatios), suministrando 50,6 GWh/ año, y teniendo una  extensión de 85 Ha.

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Javier Bezares del Cueto
BCB Informática y Control

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