I ricercatori hanno sviluppato un prototipo per calibrare un intero campo solare in una sola notte, risparmiando mesi dall'attuale sistema di calibrazione per impianti a torre a energia solare concentrata (CSP) di grandi dimensioni.

Nei CSP della torre, un campo solare circondato da migliaia di eliostati (specchi specializzati) deve riflettere in modo continuo e preciso la luce solare concentrata su un ricevitore a torre a distanze che vanno fino a 1, 600 metri mentre il sole scorre nel cielo. La nuova innovazione segnalata dai ricercatori sta applicando sistemi digitali visivi artificiali per vedere accuratamente il bersaglio con precisione pixel-point tramite fotocamere digitali integrate in ciascuno degli eliostati, permettendo di calibrare un intero campo solare in poche ore.

"Con il nostro sistema di calibrazione visiva, possiamo garantire l'accuratezza del tracciamento per tutta la vita dell'impianto, perché possiamo calibrare ogni notte, " disse Marcelino Sanchez, che dirige il dipartimento di energia solare termica presso il Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) in Spagna. Sanchez ha presentato l'innovazione alla 23a conferenza annuale SolarPACES in Cile in una presentazione dal titolo Scalable Heliostat Calibration System.

Dall'hardware al software

Tutti gli impianti CSP utilizzano sistemi computerizzati per dire a ciascuna delle migliaia di singoli eliostati in un campo solare come muoversi, utilizzando servomotori che ne controllano con precisione il movimento. Ogni eliostato mantiene il proprio riflesso solare focalizzato sul ricevitore della torre mentre il sole si sposta nel cielo e al variare della stagione.

Però, in condizioni reali, i singoli eliostati possono disallinearsi leggermente quando il terreno circostante si assesta a causa delle condizioni ambientali o di terremoti distanti. Poiché gli eliostati devono rimanere precisi al livello milliradiante (mrad) per fornire l'esatto flusso solare necessario, per colpire nel segno senza surriscaldare il ricevitore, una grande quantità di ricerca è stata dedicata al miglioramento della precisione della calibrazione.

Una revisione nel 2009 ha riassunto le ricerche precedenti. Al SolarPACES2017, incluse le strutture di ricerca che presentano articoli sulla calibrazione dell'eliostato, tra gli altri, PSA-CIEMAT, NREL, DLR, e Istituto di Cipro. L'uso di fotocamere non è insolito. Per esempio, BrightSource Energy utilizza telecamere pinhole sul ricevitore per consentire il corretto puntamento degli eliostati.

"In linea di principio, gli eliostati non necessitano di ricalibrazione; li calibrate durante l'installazione, " ha detto Sanchez. "Ma per tutti questi piccoli disallineamenti che possono verificarsi durante la vita della pianta, è un chiaro vantaggio se sei in grado di controllare il posizionamento preciso in modo rapido e ogni volta che lo desideri." Con questa metodologia innovativa, è possibile stabilire non solo la posizione ma il preciso modello cinematico di ogni singolo eliostato in condizioni reali di lavoro.

Tagliare i costi del campo solare

"Un obiettivo per noi era cercare di ridurre il costo del sistema di tracciamento che oggi è la parte più costosa del sistema eliostato, "Spiega Sanchez. "Quindi l'idea qui è di cercare di ridurre il costo al metro quadrato. Quindi abbiamo spostato i costi dall'hardware al sistema software." Gli eliostati non dovrebbero essere così robusti e costosi.

Con ricalibrazione notturna possibile attraverso piccoli, elettronica di serie, gli eliostati potrebbero diventare più economici. Cristobal Villasante, che dirige la ricerca sulle energie rinnovabili sulla robotica intelligente e sui sistemi meccatronici presso IK4-Tekniker, ha collaborato con Sanchez nello sviluppo del sistema.

"Ci sono due vantaggi principali del nostro sistema, "Villasante ha riassunto."Uno è che possiamo calibrare il sistema in modo automatico, in questo modo possiamo ridurre i tempi di messa in servizio e i costi dell'impianto. E due è che se riesci a calibrare molto spesso puoi ridurre i requisiti per la stabilità a lungo termine in modo da non aver bisogno di sistemi così forti, che può essere molto più economico e raggiungere comunque la stessa precisione, così possiamo usare eliostati più economici."

Lo sviluppo utilizza una forma di visione artificiale per la calibrazione del campo solare CSP. Piccole luci a infrarossi sono posizionate in vari punti intorno al campo solare, e la telecamera orienta la posizione del suo eliostato rispetto alle luci. Questa procedura fornisce le informazioni necessarie per calcolare il modello cinematico reale di ogni singolo eliostato.

"I sensori delle normali fotocamere visibili sono sensibili al vicino infrarosso. Usiamo un filtro e rimuoviamo la parte visibile dello spettro, " disse Sanchez, chi aggiunge che possono rilevare la posizione con un tasso di errore di 0,22 mrad. Un mrad è 0,057° di grado. "L'accensione e lo spegnimento della luce rende molto facile identificare in quale pixel è presente".

Tramite la fotocamera, il sistema può individuare con precisione dove è puntato l'eliostato. Il processo consente di risparmiare tempo e risorse di calcolo, rendendo l'identificazione del bersaglio luminoso facile e veloce. "Conoscendo le posizioni dei motori dell'eliostato ed elaborando le immagini catturate, l'esatta configurazione dell'eliostato, o quello che chiamiamo il suo "modello cinematico" può essere calcolato. Di conseguenza, l'eliostato viene riprogrammato correggendo eventuali errori e assicurando che il sole si rifletta accuratamente."