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TRABAJO DE FIN DE MÁSTER:

CANTEO DE HELIÓSTATOS UTILIZANDO LA FOTOGRAMETRÍA COMO METODO DE CARACTERIZACIÓN MÁSTER UNIVERSITARIO EN SISTEMAS DE ENERGÍA TÉRMICA UNIVERSIDAD DE SEVILLA – ESPAÑA Diciembre de 2013

Trabajo realizado con la colaboración de:

Autor:

Jonathan Méndez Herrera Tutor:

Manuel Silva Pérez

1

ÍNDICE LISTA DE FIGURAS...................................................................................................................... 4 1

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 5 1.1

Energía Solar Térmica por Concentración ..................................................................... 5

1.2

Sistema de Receptor Central de Torre .......................................................................... 5

1.3

Tecnología de los Helióstatos........................................................................................ 6

1.4

Componentes de los heliostatos ................................................................................... 7

1.4.1

Superficie reflectante ............................................................................................ 7

1.4.2

Estructura soporte, pedestal y cimentación ......................................................... 7

1.5

Mecanismo de Accionamiento ...................................................................................... 8

1.5.1

2

Sistema de control ...................................................................................................... 8

1.6

Características Funcionales de un Helióstato ............................................................... 9

1.7

Factores que Penalizan la Capacidad de Concentración de un Helióstato. .................. 9

1.8

Errores Asociados a la Superficie Reflectante ............................................................... 9

1.8.1

Errores de pequeña escala o especularidad.......................................................... 9

1.8.2

Error de media escala (waviness) ........................................................................ 10

1.8.3

Error a gran escala ............................................................................................... 11

1.8.4

Error de alineación o canteo ............................................................................... 11

1.8.5

Error debido a estructura soporte ...................................................................... 12

ANTECEDENTES ................................................................................................................... 13 2.1 Instalación Solar de Ensayos de Geometría Variable para Sistemas Solares de Receptor Central ..................................................................................................................... 13 2.2

Descripción Técnica de la Instalación.......................................................................... 14

2.3

Descripción de los Heliomóviles.................................................................................. 14

2.4

Descripción del Canteo Inicial ..................................................................................... 15

2.4.1

Precanteo en fase de construcción ..................................................................... 15

2.4.2

Canteo en puesta en marcha .............................................................................. 17

2.5

Descripción del Problema ........................................................................................... 18

3

OBJETIVO DEL TRABAJO ...................................................................................................... 18

4

TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ........................................................................................ 19 4.1

Antecedentes Relativos a la Caracterización de Superficies Reflectivas .................... 19

4.2

Métodos Escáner Láser SHOT, 2f y On-Sun-Testing .................................................... 19

4.3

Fotogrametría Digital de Rango Cercano .................................................................... 20

2

5

4.4

Método VSHOT............................................................................................................ 21

4.5

Método SCCAN ............................................................................................................ 22

4.6

Método del Objetivo con Código de Colores .............................................................. 22

4.7

Deflectometría Óptica ................................................................................................. 24

4.8

Análisis de Viabilidad de los Diferentes Métodos ....................................................... 25

4.9

Selección del Método de Canteo ................................................................................ 25

FOTOGRAMETRIA ................................................................................................................ 26 5.1

Introducción ................................................................................................................ 26

5.2

Definiciones ................................................................................................................. 27

5.3

Historia ........................................................................................................................ 27

5.4

Proceso Fotogramétrico .............................................................................................. 27

5.5

Aspectos de la Fotogrametría ....................................................................................... 29

5.6

Sistemas de Fotogrametria ......................................................................................... 31

5.6.1

Sistema análogo .................................................................................................. 31

5.6.2

Sistema digital ..................................................................................................... 31

5.7

Productos Obtenidos de la Fotogrametría .................................................................. 32

5.8

Aplicaciones................................................................................................................. 33

6 PROCEDIMIENTO DE CANTEO DE HELIÓSTATOS UTILIZANDO LA FOTOGRAMETRIA COMO METODO DE CARACTERIZACION ................................................................................................. 33 6.1

Posicionamiento de los Elementos Retroreflectantes ................................................ 34

6.1.1

Elementos retroreflectantes ............................................................................... 35

6.1.2

El triángulo de referencia .................................................................................... 35

6.1.3

Barras de escala................................................................................................... 36

6.2

Adquisición de las Imágenes ....................................................................................... 36

6.3

Análisis del Software ................................................................................................... 37

6.4

Calculo de los Nuevos Valores de Canteo ................................................................... 38

6.5

Ajuste de los Puntos de Canteo .................................................................................. 40

7

RESULTADOS ....................................................................................................................... 41

8

CONCLUSIONES ................................................................................................................... 43

9

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 45

3

LISTA DE FIGURAS Figura 1: Sistema receptor central de torre.................................................................................................... 6 Figura 2: Especularidad (izquierda). Error superficial de pequeña escala (derecha) .............................10 Figura 3: Faceta libre de errores superficiales y su proyección del sol....................................................10 Figura 4: Error superficial de media escala y su efecto en la imagen del sol..........................................10 Figura 5: Error de gran escala. Mesa de confirmado (izquierda).Proyecciones del sol (derecha).......11 Figura 6: Helióstato correctamente alineado y sus efectos sobre la imagen ..........................................11 Figura 7: Helióstato con error de alineación y sus efectos sobre la imagen...........................................12 Figura 8: Error de rigidez estructural y sus efectos en la calidad de la imagen......................................12 Figura 9: Central solar ensayo de geometría variable.................................................................................13 Figura 10: Ejes de posicionamiento del heliomóvil ...................................................................................15 Figura 11: Bancada de montaje y canteo de las facetas .............................................................................15 Figura 12: Descripción del sistema de precanteo utilizado .......................................................................16 Figura 13: Ejes de referencia de la superficies reflectante.........................................................................16 Figura 14: Montaje de la estructura en el pedestal .....................................................................................17 Figura 15: Ajuste final de las facetas (Canteo) ............................................................................................17 Figura 16: Imagen filtrada de la proyección solar sobre la diana .............................................................18 Figura 17: Caracterización por fotogrametría del sistema EuroTrough .................................................21 Figura 18: Montaje del método de Ulmer para la evaluación del error de pendiente...........................23 Figura 19: Errores de pendiente obtenidos en el sistema DISTAL-2....................................................23 Figura 20: Principio de la deflectometría óptica .........................................................................................24 Figura 21: Ejemplo de imagen para fotogrametría.....................................................................................26 Figura 22: Proceso óptico de la creación de la imagen ..............................................................................28 Figura 23: Proceso fotogramétrico desde el objeto hasta el modelo ......................................................29 Figura 24: Relación entre el tamaño del objeto y la precisión para distintos sistemas de medición ..29 Figura 25: Métodos de medición sin contacto ............................................................................................30 Figura 26: Principio de la medición por fotogrametría .............................................................................30 Figura 27: Sistema de fotogrametría analógica ...........................................................................................31 Figura 28: Sistemas de fotogrametría digital ...............................................................................................32 Figura 29: Productos obtenidos de la fotogrametría .................................................................................32 Figura 30: Ejemplos de aplicaciones de fotogrametría ..............................................................................33 Figura 31: Instalación de los elementos retroreflectantes .........................................................................34 Figura 32: Elementos retroreflectantes ........................................................................................................35 Figura 33: Triángulo de referencia ................................................................................................................35 Figura 34: Barras de escala .............................................................................................................................36 Figura 35: Cámara NIKON D3X .................................................................................................................36 Figura 36: Introducción de datos para la creación del template ..............................................................37 Figura 37: Nube de puntos obtenida del procesamiento de las fotos .....................................................37 Figura 38: Información obtenida por el software AICON.......................................................................38 Figura 39: Ajuste de las coordenadas (X, Y) obtenidas por fotogrametría a una esfera ideal .............39 Figura 40: Ajuste de puntos de canteo y posicionado del reloj comparador ........................................40 Figura 41: Proyección de la imagen del sol sobre la diana (Canteado inicial y final) ............................41 Figura 42: Análisis de distribución de flujo de las imágenes del canteo final e inicial ..........................42

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1 INTRODUCCIÓN 1.1 Energía Solar Térmica por Concentración La tecnología denominada “Energía Solar por Concentración, CSP por sus siglas en inglés (“Concentrated Solar Power”), utiliza elementos ópticos en forma de espejos para concentrar la energía solar convirtiéndola en energía térmica a temperaturas medias (300 a 600 ºC) y altas (≥ 600ºC). Esta energía térmica se utiliza, entre otras aplicaciones, para alimentar turbinas, generalmente de vapor o de aire caliente, que producen electricidad. Por tanto, a diferencia de la energía fotovoltaica en las cuales las células solares producen electricidad “directamente”, en el caso de la CSP, la energía procedente del sol experimenta un paso intermedio en forma de energía térmica, antes de producir electricidad. Generalmente, en las plantas CSP la energía solar calienta un fluido el cual hace funcionar la máquina térmica o turbina según un determinado ciclo termodinámico (Rankine, Brayton, Stirling, etc.). Este fluido, que se denomina “calor-portante”, se calienta y transporta la energía térmica que alimenta a las turbinas. Las diversas plantas CSP, también denominadas centrales termosolares, se diferencian principalmente según el sistema de espejos de focalización de la energía solar: cilindro-parabólicos, de disco o helióstatos enfocados sobre un receptor localizado en una torre. También se están ensayando sistemas de concentración de tecnología Linear Fresnel. Con el fin de ajustar el máximo de la demanda energética local a la producción máxima de electricidad de la planta (radiación solar captada máxima) y para suavizar caídas en producción debidas a pérdidas momentáneas de radiación solar por paso de nubes, cada vez se están construyendo un mayor número de plantas CSP con sistemas de almacenamiento de energía térmica, siendo éstos mucho más eficientes y económicos que los de almacenamiento de energía eléctrica.

1.2 Sistema de Receptor Central de Torre Los sistemas de receptor central de torre, consisten en un conjunto de espejos esféricos de gran radio de curvatura, llamados helióstatos, distribuidos de forma regular sobre un terreno, ordenados y orientados automáticamente, para que a lo largo del día reflejen la radiación solar directa que incide sobre ellos, en un receptor situado a gran altura sobre el terreno en el que se ubican los espejos, de tal forma que la energía se transporte y se concentre por radiación. Esta energía en forma de calor se transmite a un fluido el cual genera vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador para la producción de electricidad.

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Figura 1: Sistema receptor central de torre

Los componentes fundamentales de una central de torre son los siguientes: a) Los concentradores de energía solar (heliostatos) b) El receptor de energía que se comporta como caldera del ciclo termodinámico c) Torre Los helióstatos tienen la función de captar la radiación solar y dirigirla hacia el receptor, están compuestos de una superficie reflectante (espejos de vidrio), una estructura de soporte y mecanismos de control que permite orientarlos para ir siguiendo el movimiento del Sol. El receptor transforma la radiación solar concentrada en energía térmica, aumentando la energía termodinámica del fluido calor-portante. La energía térmica obtenida se emplea, directa o indirectamente, para generar electricidad. También puede almacenarse para su uso posterior. Por su parte el funcionamiento de la torre es el de dar soporte al receptor, el cual debe situarse a cierta altura sobre el nivel de los helióstatos con el fin de obtener un rendimiento óptico óptimo.

1.3 Tecnología de los Helióstatos En el ámbito de la energía solar térmica un helióstato puede entenderse como un espejo esférico de gran focal, dotado de movimiento en dos ejes y compuesto generalmente de un arreglo geométrico de elementos especulares individuales denominados facetas. Su misión consiste en mantener estática la imagen del sol reflejada en su superficie de una determinada posición a lo largo del día.

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Desde el punto económico, el campo de helióstatos supone aproximadamente el 40% del costo de una planta termosolar de torre; desde la perspectiva energética, el rendimiento global de la planta depende en gran medida de la eficiencia del campo de helióstatos, por la que la elección de este debe de ser extremadamente cuidadosa.

1.4 Componentes de los heliostatos Un helióstato convencional tipo T se compone, básicamente, de los siguientes elementos: superficie reflectante, estructura soporte, pedestal, cimentación, mecanismos de accionamientos y sistema de control.

1.4.1 Superficie reflectante La superficie reflectante es un componente capital del helióstato, pues su misión es la de reflejar y concentrar la radiación solar que incide sobre este, convirtiéndolo así en un sistema óptico. Se compone, clásicamente, de un conjunto de vidrios de geometría usualmente esférica y pequeña área, con una deposición de plata sobre su segunda superficie, sujetos a un bastidor metálico que permite su amarre y orientación a la estructura soporte del helióstato. Estos elementos individuales componen la óptica del helióstato y se denominan facetas, cada faceta es en sí misma capaz de reflejar y concentrar la radiación solar, de forma que debe organizarse geométricamente para que haya una acción de conjunto en la reflexión y el helióstato se comporte como un sistema óptico único. Este proceso se denomina alineación de helióstatos o canteo y puede seguir diferentes criterios ópticos dependiendo de qué distribución de irradiancia se pretenda conseguir. El canteo en definitiva dota de focal al helióstato. Se han desarrollado para tal fin dos modos de alineación diferentes: en el eje (on-axis) y fuera del eje (off-axis). El primero de ellos supone que el sol, el helióstato y el blanco constituyen un sistema óptico centrado en el eje; el segundo, organiza la disposición de las facetas para optimizar la convergencia en un determinado momento del día y del año. La óptica del helióstato admite así una amplia combinación de parámetros que conforman la naturaleza de la superficie reflectante.

1.4.2 Estructura soporte, pedestal y cimentación La estructura del helióstato es el soporte mecánico de la superficie reflectante de este. Actualmente se disponen de dos estructuras soporte bastante probadas. • •

Estructura tipo T, de uso muy generalizado desde la década de los 80. Estructura espacial, desarrollada principalmente para los helióstatos de membrana tensionada de gran área.

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La estructura T tiene dos variantes, según permita al helióstato abatirse o no en la posición cara-abajo, lo que proporciona en el primer de los casos mayor protección contra la suciedad, pero a costa de disminuir el aprovechamiento de la capacidad portante de la estructura. Esta estructura tipo T se compone generalmente de perfilería de acero galvanizado generalmente atornillada a un gran tubo central solidario al mecanismo de accionamiento, descansando el conjunto sobre un pedestal, los pedestales admiten diferentes configuraciones y diferentes materiales empleados (hormigón, acero), que condicionan normalmente el procedimiento de sujeción, siendo habitual el empotramiento del pilote de hormigón en la cimentación, así como el atornillado sobre pernos. El pilote empotrado no permite, en caso de desaplomo del helióstato, la nivelación desde la base del pedestal, lo cual no deja de ser una desventaja. La estructura espacial carece de pedestal y descansa sobre una cimentación circular de hormigón, sobre la que gira el helióstato en el plano del horizonte; esta cimentación requiere a diferencia del helióstato tipo T tolerancias de fabricación muy exigentes, al tiempo que la nivelación del helióstato en caso de desaplomo es compleja, por lo que la corrección debe de realizarse mediante algoritmos implementados en el sistema de control de apunte.

1.5 Mecanismo de Accionamiento La misión de los mecanismos de accionamiento es la de mantener estática la imagen del sol reflejada por la superficie reflectante del helióstato en un determinado lugar, normalmente la apertura de un receptor solar. Para ello accionan normalmente dos moto-reductores que orientan dicha superficie mediante dos giros, uno cenital y otro en el plano del horizonte. Las diferencias técnicas entre los mecanismos de accionamiento desarrollados hasta ahora se reducen fundamentalmente a: • • • • •

Tipo de accionamiento: Mecánico, hidráulico. Disposición de montura horizontal: Centralizado y descentralizado. Tipología de sensores empleados en conocer la orientación de los ejes de la montura: codificadores (incrementales o absolutos), sensores efecto Hall. Motores: AC, DC, pasos. Tamaño.

1.5.1 Sistema de control La operatividad del helióstato se confía al sistema de control. El sistema de control se encarga de gestionar tareas básicas que garantizan el correcto funcionamiento diario del helióstato, tanto en su misión de apunte como en otras de servicios y emergencia. Este control se puede lograr de dos formas:

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• •

Mediante un sistema centralizado, basado en un ordenador central y una topografía de comunicaciones que le permite la gestión de todas las tareas. Mediante un sistema de control distribuido, en el que se enfatiza la gestión del controlador local, descargando así al ordenador central de gran parte de las tareas que ahora gestiona cada helióstato.

1.6 Características Funcionales de un Helióstato En una planta termosolar de torre las características funcionales de un helióstato condicionan en gran medida el rendimiento energético del sistema solar de un conjunto, lo que influye de manera decisiva en su viabilidad económica. Desde el punto de vista de su funcionamiento las principales características de un helióstato pueden clasificarse en tres grandes grupos: • •

•

Capacidad de concentración de la radiación solar concentrada. Los componentes que intervienen son: Superficie reflectante y estructura soporte. Capacidad de apunte. Los componentes que intervienen son: mecanismo de accionamiento, montura, algoritmos (posición solar, rayo reflectado) y sistema de control. Operatividad. Los componentes que intervienen son: control local, comunicaciones y, en el caso de helióstatos autónomos, suministro y almacenamiento eléctrico

1.7 Factores que Penalizan la Capacidad de Concentración de un Helióstato. Por su importancia, la capacidad para concentrar la radiación solar del helióstato merece especial atención, Esta se ve mermada por determinadas causas, normalmente debidas a imperfecciones en la fabricación de los componentes de su óptica, montaje de estos o carencias de la estructura soporte (escasa rigidez). Dadas una disposición sol-helióstato-blanco, una forma solar y una geometría del helióstato, los principales factores de este que puede penalizar esta característica funcional, denominados comúnmente errores.

1.8 Errores Asociados a la Superficie Reflectante 1.8.1 Errores de pequeña escala o especularidad Se postula que este error es debido a patrones de textura granulosa o estrías microscópicas en la superficie especular de la faceta, lo que provoca una desviación de las condiciones ideales de especularidad (Figura 2). Este error afecta localmente a la dirección del vector normal a la superficie reflectante. Se considera un error de naturaleza no-determinista; su influencia es pequeña y se cuantifica normalmente mediante técnicas de laboratorio.

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Figura 2: Especularidad (izquierda). Error superficial de pequeña escala (derecha)

1.8.2 Error de media escala (waviness) Este error es de naturaleza similar al anterior, salvo que los órdenes de magnitud de las rugosidades son macroscópicos, es decir, patrones de ondas superficiales con amplitudes de milímetros o centímetros y longitudes de onda comparables a las dimensiones de la faceta (figura 3 y 4).

Figura 3: Faceta libre de errores superficiales y su proyección del sol

Figura 4: Error superficial de media escala y su efecto en la imagen del sol

Puede modelarse postulando que las desviaciones angulares de la normal de cada punto de la superficie reflectante, respecto a su valor más probable siguen típicamente una distribución circular o elíptica normal, se considera un error de naturaleza no-determinista, su influencia en la imagen puede ser muy apreciable y se cuantifica normalmente con técnicas de campo.

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1.8.3 Error a gran escala Se considera un error de naturaleza determinista, que proviene básicamente de una conformación defectuosa global de la faceta. Se manifiesta ya sea en un radio de curvatura diferente del esperado, o en una geometría distinta de la pretendida por el fabricante, se modela postulando diferentes geometrías y actuando en consecuencia sobre la función analítica que la describe. La figura 5 muestra el efecto sobre la imagen del sol en una faceta conformada con superficie reflectante plana, cilíndrica y parabólica-elíptica, diferente de la faceta inicialmente esférica de diseño.

Figura 5: Error de gran escala. Mesa de confirmado (izquierda).Proyecciones del sol (derecha)

1.8.4 Error de alineación o canteo El error clásico en el modo de canteo en el eje es generalmente de naturaleza nodeterminista, consecuencia de la accidentalidad del proceso de alineación del helióstato en campo, su efecto se traduce en una desviación del vector normal de cada faceta, respecto a su posición esperada, dispersándose así la imagen sobre el blanco (Figura 6 y 7); se modela clásicamente como una distribución circular normal con centro en el valor de la normal previsto por la óptica geométrica.

Figura 6: Helióstato correctamente alineado y sus efectos sobre la imagen

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Figura 7: Helióstato con error de alineación y sus efectos sobre la imagen

1.8.5 Error debido a estructura soporte Las características mecánicas de la estructura soporte de la superficie reflectante del helióstato también dan lugar a ciertos errores ópticos que pueden clasificarse de la siguiente manera:

Cargas gravitatorias: Los diferentes ángulos de elevación por los que pasa el helióstato en su movimiento diurno y estacional, generan distintos estados de carga sobre la estructura soporte de facetas, deformándola desigualmente y provocando así efectos indeseables sobre la forma solar reflejada (figura 8). Es un error de naturaleza determinista y se modela con la ayuda de programas de elementos finitos, su efecto es modificar la focal del helióstato de forma no necesariamente simétrica.

Figura 8: Error de rigidez estructural y sus efectos en la calidad de la imagen

Cargas de viento: Otro agente externo que perturba la calidad óptica del helióstato por deformación de la estructura soporte es el viento, cuya influencia debe de ser analizada estudiando los efectos de su velocidad y ángulo de incidencia sobre el helióstato La acción conjunta de todas estas fuentes de error actúa dispersando la radiación solar reflejada, penalizando así la capacidad de concentración del helióstato. Este efecto indeseable necesita cuantificarse, con objeto de dar un estimado de su calidad, mediante procedimientos experimentales.

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2 ANTECEDENTES 2.1 Instalación Solar de Ensayos de Geometría Variable para Sistemas Solares de Receptor Central El concepto de geometría variable es una patente del Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables (CTAER) e investigadores de la Universidad de Sevilla que inicia una nueva generación de tecnología de receptor central en torre basada en el carácter móvil tanto de los helióstatos como del receptor, consiguiendo de esta forma, seguir el movimiento aparente del Sol y así poder aumentar considerablemente el factor coseno del campo de helióstatos y, en consecuencia, captar la mayor cantidad de energía posible en todas las épocas del año. La central denominada “Instalación solar de ensayos de geometría variable para sistemas solares de receptor central” (Figura 9) es un proyecto demostración ubicado en Tabernas (Almería), en terrenos aledaños a la Plataforma Solar de Almería (PSA). Este proyecto tiene la doble finalidad de probar el concepto de geometría variable a escala real, y servir de banco de ensayos para todo tipo de actividades de investigación relacionadas.

Figura 9: Central solar ensayo de geometría variable

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2.2 Descripción Técnica de la Instalación En la primera fase del proyecto de la central se dispone de un campo de helióstatos capaz de suministrar hasta un 1 megavatio térmico en el punto de diseño. Esto corresponde a un total de 13 helióstatos de 120 m2 cada uno. Los helióstatos están distribuidos en dos filas, la primera situada a 50 m del centro de la torre, y la segunda situada a 68 m. Cada fila está formada por railes concéntricos. Los helióstatos van sujetos encima de unos soportes que se desplazan por los raíles de manera automática, siguiendo el movimiento aparente del sol. La estrategia de operación se controla por ordenador mediante un sistema central. La torre de 60 m de altura está fabricada en acero galvanizado y consta de dos segmentos, uno fijo y otro giratorio. El segmento giratorio forma una plataforma, que contendrá los receptores a ensayar, apoyando todo el conjunto sobre un rodamiento de gran tamaño, ubicado en el extremo superior del segmento fijo o fuste.

2.3 Descripción de los Heliomóviles Actualmente la central de geometría variable cuenta 13 helióstatos móviles (o heliomóviles), los cuales se desplazan en un movimiento de translación circunferencialmente sobre unos railes situados a dos radios diferentes respecto a la torre. La superficie reflectante está conformada por 28 facetas, con una superficie total de 120 m2 montadas sobre una estructura tipo T, cuenta con un accionamiento electromecánico para realizar los movimientos de elevación y acimut, se encuentra montado en carro (Chasis), que le permite realizar el movimiento en translación. En el campo de helióstatos las facetas están curvadas y se disponen a dos focales distintas, una por cada fila. Las facetas se apoyan sobre la estructura soporte en cuatro puntos, siendo dichos apoyos regulables hasta obtener la focalización correcta. La estructura soporte está compuesta por un brazo transversal de apoyo, sobre el que fijan seis vigas en celosía, que a su vez sirven de apoyo de las facetas; por tanto el conjunto facetas-vigas celosía le transmiten esfuerzos al mecanismo a través de los brazos del helióstato. Para orientar al helióstato en la posición deseada, se precisa del mecanismo de accionamiento y del sistema de control, incluidos sensores de medida de la posición angular en azimut y elevación y el control local que realiza cálculo del vector solar y determina la posición en cada momento de la superficie espejada, para enviar el radiación solar concentrada al punto del espacio que se ordene. El mecanismo posiciona el helióstato en dos ejes: un eje de elevación o de giro sobre eje horizontal (x), montado sobre un eje de azimut o de giro sobre eje vertical (z), como se indica en la Figura 10.

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Figura 10: Ejes de posicionamiento del heliomóvil

2.4 Descripción del Canteo Inicial 2.4.1 Precanteo en fase de construcción El canteo de las facetas se realizó en este caso sobre una bancada de montaje para trabajar a ras del suelo y así facilitar el trabajo de montaje al no tener que trabajar sobre una plataforma elevadora o andamio.

Figura 11: Bancada de montaje y canteo de las facetas

En la bancada de montaje se posiciona la estructura soporte totalmente horizontal (Zenit) y se montan las facetas con un sistema esparrago – tuercas (Figura 12 izquierda) con el cual es posible regular la cota en la dirección Z de los puntos de sujeción de las facetas y gracias a una estructura, la cual utilizamos como patrón aproximamos los puntos de canteo a los valores especificados de diseño.

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Figura 12: Descripción del sistema de precanteo utilizado

La estructura patrón no es más que una que una viga que se posiciona a lo ancho de la estructura soporte sobre unos trípodes y de la cual cuelgan 14 regletas (Figura 12 derecha). La regulación de los puntos de canteo se realiza de la siguiente manera, la cota X se controla por la posición de los trípodes, la cota Y la controla la distribución de las regletas a lo largo de la viga y por último la cota Z es controlada por el largo de la regleta, todos estos parámetros son ajustados por una estación total.

Figura 13: Ejes de referencia de la superficies reflectante

Una vez que están montadas todas las facetas y ajustados los 112 puntos de canteo, se procede a su montaje en el pedestal con la ayuda de una grúa (figura 14), para así poder iniciar la instalación de los mecanismos de actuación mecánicos, eléctricos y de control.

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Figura 14: Montaje de la estructura en el pedestal

2.4.2 Canteo en puesta en marcha El proceso de canteo consistió básicamente en apuntar el helióstato a la diana para ver la proyección del sol sobre ella, de esta manera se podía comprobar de una manera visual el ajuste de las facetas. Después se procedía a reajustar de forma manual las facetas que quedaban fuera de foco para intentar meterlas en este.

Figura 15: Ajuste final de las facetas (Canteo)

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2.5 Descripción del Problema El método de precanteo inicial descrito carece de suficiente precisión, ya que se ha demostrado que este método tiene un rango de error de ± 2 mm. Por si esto no fuera suficiente, al cantear de una forma totalmente manual ya en fase de puesta en marcha, aumentan estos rangos y además se rompe la uniformidad de la superficie reflectante, al no ser ajustada esta de una forma global. Aunque a simple vista parece que todas las facetas están en foco, utilizando el filtros de densidad neutra se puede comprobar que existen errores importantes de canteo ya que se divide la imagen en dos focos.

Figura 16: Imagen filtrada de la proyección solar sobre la diana

Es por tanto necesario realizar un canteo mediante un proceso diferente al utilizado, ya que como se ha descrito, este no cuenta con la precisión necesaria para conseguir una imagen de suficiente calidad.

3 OBJETIVO DEL TRABAJO El objetivo del proyecto es desarrollar un método preciso de canteo, para lograr disminuir el error asociado al canteo inicial sobre la superficie reflectante en su fase de construcción. El método desarrollado debe garantizar una elevada precisión, así como tener en cuenta otros parámetros importantes como son, el tiempo que se invierte en el proceso, las condiciones de trabajo, los costos de inversión y la forma de validación de los resultados. Una vez desarrollado, el método será validado mediante su aplicación práctica y medida real de resultados en un helióstato de la central de geometría variable del CTAER. Finalmente se evaluará la viabilidad de realizar este mismo proceso al resto de heliomóviles de la central.

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4 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN En los sistemas de concentración solar, el concentrador solar es el principal componente de costos, y la calidad óptica, en particular la precisión geométrica de los concentradores solares tiene un impacto significativo en la eficiencia y por lo tanto en el rendimiento de la planta de energía. Cualquier desviación de la superficie óptima puede conducir a pérdidas ópticas, por lo tanto, es importante contar con una herramienta que puede medir estos errores con la precisión adecuada.

4.1 Antecedentes Relativos a la Caracterización de Superficies Reflectivas Una evaluación geométrica, y por tanto óptica, confiable de los concentradores solares de cualquier forma o material, permitirá una adecuada predicción de la capacidad de generación de una central solar térmica de mayor magnitud. Los antecedentes muestran que desde mediados de la década de 1950 se ha intentado evaluar mediante alguna técnica la densidad del flujo reflejado (característica relacionada con la precisión de los concentradores) de los denominados en aquel entonces hornos solares. En épocas más recientes y con el desarrollo de grandes superficies reflectivas, se han implementado diferentes procedimientos muchos de los cuales están basados en técnicas visuales y herramientas informáticas que permiten determinar su resolución óptica, ya sea en sistemas de foco lineal o bien de foco puntual. A continuación se describen brevemente algunos ejemplos de métodos recientes destacados que permiten caracterizar geométricamente esta clase de concentradores.

4.2 Métodos Escáner Láser SHOT, 2f y On-Sun-Testing Wendelin y Grossman publican un análisis comparativo entre tres diferentes métodos para la caracterización óptica de sistemas solares concentradores de foco puntual. Estos métodos desarrollados tanto en el NREL como en los Laboratorios SANDIA de los EEUU, utilizan técnicas de escáner superficial y complejos sistemas de montaje y calibración de equipo. En el primer método publicado en 1991, llamado SHOT (acrónimo del concepto en inglés Scannig Hartmann Optical Test) un haz de luz láser es dirigido desde un punto localizado a aproximadamente dos veces la distancia focal y a nivel del eje óptico del concentrador hacia la superficie reflectora de éste. El láser incide en el reflector y se refleja de vuelta hacia una pantalla-objetivo de color blanco. Un detector electrónico localiza el centroide de punto de retorno, determinando geométricamente la pendiente en el punto de origen del haz reflejado, para enseguida dirigir el haz de luz láser hacia un nuevo punto. El proceso, automático y computarizado, se repite hasta adquirir los datos en alrededor de 2000 puntos parando una vez que la superficie entera del concentrador se ha completado.

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El método 2f hace uso de la técnica del “observador distante”, en donde una cámara observa el reflejo de un objetivo con forma de anillos concéntricos localizado en un dispositivo junto con la misma cámara. El espacio entre esta y el concentrador es equivalente al radio de curvatura, esto es aproximado al doble de la distancia focal (de ahí su nombre, 2f). Es un sistema de medición del desempeño óptico para concentradores solares de foco puntual con una relación f/D (distancia focal entre diámetro) mayor a 3,0. Un programa informático reconoce las imágenes obtenidas en un monitor, digitalizándolas, para que a través de un algoritmo, pueda obtenerse un número para cada faceta individual del concentrador llamado Figura de Mérito de Faceta (FFM en inglés), el cual no se considera un valor de error de pendiente verdadero debido a que está basado en un valor arbitrario, no obstante muestra una correlación aceptable con el método SHOT más sofisticado, es por eso que el método se considera sobre todo una herramienta para el control de calidad en producción. El método On-sun Testing como su nombre lo indica, es una prueba realizada al concentrador operando con radiación solar y emplea una videocámara adaptada con filtros oscuros de protección, un digitalizador de imágenes y un software disponible comercialmente. El montaje tiene como finalidad proporcionar una imagen de la distribución energética del flujo concentrado en tiempo real, un valor-pico de temperatura y el valor de la energía total incidente en el absorbedor. Este complejo método se utiliza en conjunto con el código informático CIRCE2, el cual compara los cálculos teóricos ofrecidos por este programa con los resultados experimentales.

4.3 Fotogrametría Digital de Rango Cercano Shortis y Johnston implementaron una técnica muy útil que permite la caracterización completa de cualquier tipo de superficie, incluida la reflectiva de un concentrador parabólico lineal o de disco, a la cual se ha denominado “Fotogrametría digital de rango cercano”. Esta técnica es la ciencia del análisis cuantitativo mediante mediciones en fotografías. La combinación de cámaras fotográficas digitales de alta calidad de imagen (mega-píxeles), un software y escalas de referencia apropiadas son casi todo lo necesario para proporcionar mediciones de coordinadas tridimensionales con una precisión igual o mayor a 1:50,000. Las fotografías del objeto a evaluar se toman desde dos o más puntos de vista. Los “puntos-ubicación” de la imagen son luego medidos utilizando dispositivos manuales o semiautomáticos, tales como comparadores fotogramétricos, los cuales son sistemas digitalizadores x-y muy precisos que tienen la facilidad de grabar estos “puntosubicación” de una forma legible para el ordenador. Los estéreo-plotters, utilizados también para este fin, son dispositivos analógicos que utilizan un sistema opto-mecánico para ver y medir la ubicación de las imágenes en las fotografías. Al observador, combinado con un algoritmo matemático, se le puede considerar un digitalizador tridimensional que localiza cualquier punto visible sobre la superficie del objeto. La fotogrametría es una herramienta excelente para medir la exactitud de la forma estructural en concentradores solares de gran tamaño, y a pesar de no ser un procedimiento simple, se puede efectuar con objetivos “retro-reflectantes” y una linterna apropiados durante el día, aún con luz del Sol. Después de la instalación de los objetivos, el tiempo de medición es corto. Dependiendo del tamaño

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del concentrador, puede durar desde el inicio de la ubicación del objetivo a la extracción final de las coordenadas del objetivo desde alrededor de medio a un día entero. En la figura 17 se pueden observar imágenes obtenidas en la caracterización óptica del sistema CCP EuroTrough. En la imagen de la izquierda se tiene un módulo CCP con los puntos-objetivo retro-reflectantes convenientemente ubicados por toda la superficie reflectiva. En la imagen de la derecha se observa una imagen multicolor que indica las desviaciones angulares del sistema de acuerdo con la técnica utilizada.

Figura 17: Caracterización por fotogrametría del sistema EuroTrough

4.4 Método VSHOT Jones publica el método VSHOT (Video Scannig Hartmann Optical Tester), basado en el método SHOT desarrollado por Wendelin y Grossman en 1991, muy similar y utilizado igualmente para evaluar el error de pendiente en los concentradores de disco parabólico, tal como el sistema DISTAL II de la Plataforma Solar de Almería (PSA). La principal diferencia es que el haz láser reflejado es grabado con una videocámara. Este procedimiento se puede usar para Concentradores de Disco Parabólico (CDP) de entre 2,0 y 15,0 m de diámetro D, y para una relación f/D en el rango de 0,5 – 3,0. Para relaciones f/D mayores, se utiliza el método llamado 2f mencionado anteriormente. No obstante, estos métodos no se consideran aptos para la evaluación de reflectores con una distancia focal mucho mayor, como es el caso de los helióstatos de un sistema de torre central con 100 m o más de longitud.

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4.5 Método SCCAN El método SCCAN, “Solar Concentrator Characterization At Night”, es un sencillo procedimiento de caracterización óptica desarrollado en la PSA por Arqueros y colaboradores, el cual es posible utilizarlo durante la noche en diferentes tipos de concentradores, incluidos los CDP. El proceso para caracterizar un helióstato de un sistema de torre central explica en que consiste este método. Se eligió una estrella convenientemente aislada que sirviera como “punto luminoso” con el fin de verificar el alineamiento de los reflectores, enfocando su luz hacia una cámara tipo CCD localizada en lo alto de la torre, desde donde se pueden observar estos puntos luminosos debido a la reflexión de la luz emitida por la estrella, pudiéndose comprobar que la posición de los puntos cambian con la posición de la cámara u observador. Tomando varias imágenes con la cámara se puede entonces medir con la ayuda de un software adecuado la ubicación de los puntos luminosos y determinar la pendiente de los reflectores de la misma forma que en el método SHOT, con la diferencia de que la luz de la estrella provee un haz que ilumina por completo la superficie del concentrador.

4.6 Método del Objetivo con Código de Colores Ulmer y colaboradores han desarrollado una técnica de evaluación óptica basada en el método 2f que ha resultado muy conveniente para la medición del error de pendiente en concentradores de disco parabólico, la estimación de la distancia focal y la densidad de flujo en la zona focal. Probado en los sistemas DISTAL II y EuroDish de la PSA, este método utiliza un objetivo óptico consistente en una placa marcada con un patrón de 22 franjas de colores y unas dimensiones de 65 x 65 cm. que se coloca cerca del plano focal perpendicular al eje óptico del concentrador. Una cámara digital con lentes de tele-foto se coloca a unos 250 m del disco con el concentrador dirigido hacia esta. A esta distancia la imagen reflejada del objetivo “llena” la superficie completa del reflector parabólico. Luego, se toman dos imágenes fijas, una con las franjas del objetivo en forma horizontal, y la otra con las franjas en forma vertical. Las imágenes obtenidas son evaluadas con un algoritmo que utiliza un software de análisis de imagen disponible comercialmente, que reconoce los diferentes colores mediante un umbral y asigna a cada píxel la posición de la franja correspondiente en el objetivo. El esquema del montaje se puede observar en la figura 18.

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Figura 18: Montaje del método de Ulmer para la evaluación del error de pendiente

Una vez que las imágenes han sido analizadas, los valores obtenidos se exportan al programa Matlab en donde se calcula la pendiente de superficie real de acuerdo con unas ecuaciones que describen la reflexión teórica en una superficie especular. El resultado de este análisis óptico arroja, esquemáticamente, unas circunferencias que describen mediante una gama determinada de colores, las desviaciones angulares (en mili-radianes) de la superficie del concentrador con respecto a una parábola ideal. En la figura 19 se observan imágenes obtenidas en la caracterización del sistema de Disco/Stirling DISTAL-2 utilizando el método descrito anteriormente. El diagrama de la izquierda muestra los errores de pendiente con una distancia focal de 5,013 m en la dirección radial. Los valores positivos denotan desviaciones hacia dentro mientras que los valores negativos denotan desviaciones hacia fuera. Se pueden encontrar altos valores negativos, de hasta -10 mrad, principalmente en las áreas externas del concentrador, en tanto que valores positivos, de hasta 6 mrad, se localizan en una gran área central-superior y sobre todo el fondo del concentrador. En los límites entre facetas de espejos individuales se pueden observar cambios abruptos en los errores de pendiente. Esto indica que las facetas de espejo pegadas no se ajustan perfectamente a la forma básica de la membrana de acero. El diagrama de la derecha en la figura 4 muestra los errores de pendiente tangenciales junto con los círculos alrededor del centro. Los valores positivos denotan ángulos de desviación en dirección de las manecillas del reloj y los valores negativos son ángulos de desviación en sentido contrario.

Figura 19: Errores de pendiente radial (izquierda) y tangencial (derecha), obtenidos del sistema DISTAL-2

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4.7 Deflectometría Óptica Algunos autores mencionan el método de la deflectometría óptica como otra de las técnicas utilizadas para caracterizar una superficie reflectiva curva. Es un método basado en las leyes de la reflexión y refracción de la luz, que consiste en la observación y el análisis de la imagen reflejada por la superficie. El principio fundamental se muestra en la figura 20 donde se presenta el haz que incide sobre la superficie que se desea caracterizar y el rayo reflejado, que se capta por medio de una cámara CCD o un detector de posición. A partir de estas medidas se obtiene la desviación 2ߙ que sufre el haz de luz cuando interacciona con la superficie, teniendo información de la pendiente mediante la función tangente. Este método funciona de forma similar a los métodos SHOT, realizando la medición de la pendiente de superficie de forma directa, no obstante al igual que los otros y para el caso de superficies muy extensas es necesario que existan muchos puntos de muestreo.

Figura 20: Principio de la deflectometría óptica

También es importante el tamaño del haz láser que incide sobre la superficie: si se emplea un láser de diámetro grande, se realiza un promedio de la intensidad de la luz de todos los puntos abarcados dentro del diámetro; por tanto, el uso de un láser de diámetro grande es indicado para medir la topografía general de grandes superficies. También se puede utilizar un haz de diámetro más pequeño de modo que se obtendrá mucha más información de la topografía, es decir, es apropiado para caracterizar la nanotopografía de la superficie; aunque si se toma un haz láser demasiado pequeño pueden presentarse fenómenos difractivos que introducirían errores en las medidas. (Moreno, 2005).

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4.8 Análisis de Viabilidad de los Diferentes Métodos En la siguiente tabla se presenta de forma muy breve una relación comparativa de los métodos analizados en este trabajo referentes a la caracterización óptica de concentradores solares. El análisis de los diferentes procedimientos descritos anteriormente, los cuales reflejan una amplia gama de técnicas recientes para la evaluación eficiente de las superficies reflectivas en los concentradores de foco puntual. Nombre

Año

SHOT/

1991/

VSHOT

1994

2f

1991

On-sun Test.

1991

Aplicaciones Concentradores de foco puntual.

Concentradores de foco puntual con una relación f/D mayor a 3.0. Concentradores de foco puntual.

Ventajas • • • • • • • •

Alta resolución y elevada precisión. No utiliza cámara CCD. Determinación directa del error

Desventajas • •

Costo elevado. Tiempo de ejecución considerable.

Se realiza en cualquier hora/lugar. No utiliza cámara CCD. No requiere una calibración precisa.

• • •

Costo elevado. Método de precisión limitada. Tiempo de ejecución considerable.

Alta fiabilidad. Alta resolución y elevada precisión.

• •

Costo elevado. Requiere software para digitalizar imagen y comparación resultados Debe realizarse con radiación solar y sistema de refrigeración.

•

Fotogrametría.

1996

Cualquier superficie reflectiva, CDP, CCP, HLS.

• •

Utiliza cámara digital. Determinación indirecta por medio de coordenadas 3-D.

• • •

Costo moderado. La calibración debe tener una gran exactitud. Tiempo de ejecución medio.

Objetivo c/código de colores. (Método Ulmer-PSA)

2006

Concentradores de foco puntual.

• • • •

Utiliza una cámara digital. No requiere refrigeración. Simple y rápido. Bajo costo.

•

Depende del software de análisis de imagen para el cálculo del error.

SCCAN.

2003

Cualquier superficie reflectiva, CDP, CCP, HLS.

•

Se realiza de noche, sin sistema de refrigeración del blanco. Simple y rápido.

•

Limitado a condiciones ambientales favorables. Requiere software de análisis de imagen.

•

•

Tabla1: Comparación de los métodos de caracterización óptica propuestos

4.9 Selección del Método de Canteo Tomando en consideración lo anterior se decidió utilizar la fotogrametría como método de caracterización ya que esta ofrece algunas características convenientes para el desarrollo del proyecto como son: La relación precisión-tiempo de la medición es muy buena ya que en lo que se emplea más tiempo en una medición es en montar y desmontar los elementos retroreflectantes que utiliza esta tecnología para detectar los puntos a medir, la adquisición y el procesamiento de

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las imágenes es sencilla gracias a los avances que han tenido los software para esta tecnología en los últimos años. La inversión inicial es moderada gracias a que no requiere ninguna instalación ni acondicionamiento para realizar las mediciones. El costo más representativo se lo lleva el software ya que el mantenimiento y calibración de los accesorios y cámara se ha minimizado bastante gracias a los sistemas de auto-calibración que tienen incorporados algunos softwares. Por ultimo una cosa que nos llevó a decantarnos por este sistema es su gran versatilidad para realizar mediciones en campo. Al ser un sistema que no tiene elementos muy sensibles o delicados es ideal para trabajar en sitios donde las condiciones climatológicas son más extremas como lo son las plantas solares; sólo hay que cuidar los parámetros de ajuste dependiendo de las condiciones de trabajo.

5 FOTOGRAMETRIA 5.1 Introducción La fotogrametría abarca métodos de medición e interpretación de imágenes con el fin de obtener la forma y ubicación de un objeto a partir de una o más fotografías. En principio, los métodos fotogramétricos se pueden aplicar en cualquier situación en la que el objeto a medir se pueda fotografiar, el propósito principal de una medición fotogramétrica es la reconstrucción tridimensional de un objeto en forma digital (coordenadas y elementos geométricos) o de forma gráfica (fotos, dibujos, mapas), la fotografía o imagen representa un almacén de información en la que podemos acceder en cualquier momento.

Figura 21: Ejemplo de imagen para fotogrametría

La fotogrametría se apoya fundamentalmente en las relaciones matemáticas de la geometría proyectiva y de la visión estereoscópica que posee naturalmente el ser humano.

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Es importante destacar que casi toda la cartografía relevada en el mundo ha sido generada a partir de la fotogrametría, desde sus inicios hasta la actualidad la fotogrametría ha ido de la mano de la tecnología, dando pasos desde la fotogrametría analógica, pasando por la fotogrametría analítica, llegando hoy a la fotogrametría digital.

5.2 Definiciones La fotogrametría puede definirse como el arte, ciencia y tecnología cuyo fin es el de obtener información cuantitativa fiable relativa a objetos físicos y su entorno, mediante procesos de registro, medida e interpretación de imágenes fotográficas (American Society for photogrammetry and Remote Sensing- 1979). La fotogrametría es la ciencia de realizar mediciones e interpretaciones confiables por medio de fotografías, para de esa manera obtener características métricas y geométricas del objeto fotografiado (Sociedad Internacional de Fotogrametría y Sensores Remotos). La fotogrametría es la técnica para estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera, utilizando medidas realizadas sobre una o varias fotografías (H. Bonneval) Al interpretar estas definiciones resaltamos el carácter científico y cuantitativo de la fotogrametría, en clara asociación con las dimensiones, forma y posición espacial de los objetos fotografiados.

5.3 Historia Según Konecny (1981) la fotogrametría se desarrolla y evoluciona en cuatro etapas: a) Metrofotografía: de partir de 1850 hasta 1900. Se inicia con la invención de la fotografía por Niepce y Daguerre en 1839 en Francia. El término Metrofotografía fue ideado por el coronel francés Laussedat hacia 1851; a quien se considera el fundador de la Fotogrametría. b) Fotogrametría analógica: desde 1900 a 1960, ciclo que se inicia con dos inventos importantísimos: por un lado la estereoscopia dando origen a la estereofoto; por otro lado el invento de plataformas adecuadas para los sensores (cámaras) como los zeppelines y el aeroplano. c) Fotogrametría analítica: desde 1969 hasta 1980, ciclo iniciado por la aparición de las computadoras. d) Fotogrametría digital: desde 1980 hasta nuestros días, ciclo iniciado a partir del lanzamiento del satélite Landsat de origen estadounidense.

5.4 Proceso Fotogramétrico La reducción de un objeto tridimensional a una imagen bidimensional implica una pérdida de información de cómo son los objetos que, al no ser visibles en la imagen, no pueden ser reconstruidos a partir de ella. Esto no sólo incluye las partes ocultas del objeto, como es la

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parte trasera del mismo, sino también regiones que no pueden ser reconocidas debido a la falta de contraste o a su tamaño. También hay que tener en cuenta otras consideraciones como son que en las imágenes sólo tenemos disponibles dos de las tres coordenadas que necesitamos para definir cada punto de un objeto. También hay que tener en cuenta que existen cambios geométricos causados por: la superficie del objeto, el posicionamiento relativo de la cámara y el objeto, la perspectiva de la imagen, los defectos ópticos de la lente y por último, los cambios radiométricos de la radiación electromagnética reflejada en la imagen, la cual se ve afectada por el medio de trasmisión (aire, vidrio) y la sensibilidad a la luz del medio de adquisición (film, sensor electrónico). Para la reconstrucción de un objeto a partir de fotografías o imágenes, es necesario describir el proceso óptico por el que se crea una imagen, esto incluye todos los elementos que contribuyen a este proceso, tales como: fuentes de luz, las propiedades de la superficie del objeto, el medio a través del cual viaja la luz, sensores y tecnología de la cámara, el procesamiento de imágenes y su posterior tratamiento (Figura 22).

Figura 22: Proceso óptico de la creación de la imagen

Por todo esto en necesario contar con métodos de medición e interpretación de imágenes los cuales nos permitan identificar el punto de un objeto ya sea por su forma, brillo o distribución de color, para así poder tener una adquisición de datos radiométricos (intensidad, valor de grises, valor de color) y datos geométricos (posición de la imagen). Para esto debemos contar con sistemas de medición con la calidad geométrica y óptica apropiada, ya que a partir de estas mediciones y de una trasformación matemática finalmente podemos modelar nuestro objeto. La figura 23 simplifica y resume esta secuencia. El lado izquierdo indica la instrumentación principal utilizada, mientras que el lado derecho indica los métodos implicados. Los modelos físicos y matemáticos, el conocimiento humano, la experiencia y la habilidad desempeñan un papel significativo ya que determinan el grado de correspondencia entre el modelo correspondiente al objeto y la imagen para que cumpla con la tarea determinada.

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Figura 23: Proceso fotogramétrico desde el objeto hasta el modelo

5.5 Aspectos de la Fotogrametría Debido a sus diversas aplicaciones, la fotogrametría de rango cercano tiene un fuerte carácter interdisciplinario, no sólo hay relaciones estrechas con otras técnicas de medición, sino también con las ciencias fundamentales como matemáticas, física, informática o la biología. La fotogrametría de rango cercano tiene vínculos importantes con los aspectos relacionados con los gráficos y la ciencia fotográfica, por ejemplo, gráficos por ordenador y visión por computador, procesamiento de imagen digital, diseño asistido por ordenador (CAD), sistemas de información geográfica (GIS) y cartografía. También hay una fuerte asociación de la fotogrametría de rango cercano con las técnicas de vigilancia, en particular en las áreas de métodos de ajuste y de estudio de ingeniería, con la creciente aplicación de la fotogrametría a la metrología industrial y control de calidad, los enlaces se han creado en otras direcciones.

Figura 24: Relación entre el tamaño del objeto y la precisión para distintos sistemas de medición

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La figura 24 da una indicación de la relación entre el tamaño del objeto medido, precisión de la medida requerida y la tecnología concerniente, aunque no existe una definición precisa, se puede decir que la fotogrametría de rango cercano se aplica a los objetos que van desde 1 m hasta 200 m de tamaño, con precisiones menores de 0,1 mm en el extremo de menor tamaño (industria de manufactura) y la precisión de 1 cm en el extremo más grande (arquitectura y la industria de la construcción). Los métodos ópticos que utilizan la luz como transporte de información se sitúan a la cabeza de las técnicas de medición en 3D sin contacto. Las técnicas de medición que utilizan ondas electromagnéticas pueden subdividirse de la manera ilustrada en la figura 25.

Figura 25: Métodos de medición sin contacto

La fotogrametría es una técnica de medición tridimensional que usa proyección central de imágenes como su modelo matemático fundamental (Figura 26). La forma y posición de un objeto se determinan mediante la reconstrucción del haz de los rayos en el que, para cada cámara, cada punto de la imagen P', junto con la perspectiva correspondiente centro O', define la dirección espacial del rayo hasta el punto objeto correspondiente P, proporcionados la geometría de la imagen dentro de la cámara y la ubicación del sistema de formación de imágenes en el espacio objeto son conocidos, entonces cada imagen de rayos se puede definir en el espacio objeto 3D.

Figura 26: Principio de la medición por fotogrametría

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5.6 Sistemas de Fotogrametria 5.6.1 Sistema análogo Fotogrametría analógica (Figura 27) se distingue por sus diferentes componentes de instrumentación para la grabación de datos y para su procesamiento, así como por una separación en la localización, tiempo y personal entre la grabación en el lugar del objeto y la evaluación de los datos en el laboratorio u oficina. Los datos obtenidos de la fotogrametría normalmente se procesan por otros usuarios distintos a los que realizaron las mediciones en campo ya que requiere el conocimiento complejo fotogramétrico, instrumentación y habilidades. El conjunto del procedimiento, que implica la grabación, medición y procesamiento adicional, consume mucho tiempo el uso de los sistemas analógicos, y muchas etapas esenciales no se pueden completar en el sitio. La integración directa de los sistemas analógicos en procedimientos tales como los procesos de fabricación no son posibles.

Figura 27: Sistema de fotogrametría analógica

5.6.2 Sistema digital El procedimiento fotogramétrico ha cambiado fundamentalmente con el desarrollo de los sistemas de imágenes digitales y su procesamiento (Figura 28), mediante la utilización de puntos de medida orientados adecuadamente y grabación de imágenes digitales on-line, estas tareas fotogramétricas complejas se pueden ejecutar en cuestión de minutos en el lugar. Un análisis totalmente automático de los puntos específicos sustituye a los procedimientos manuales para la orientación y la medición los instrumentos especiales de medición fotogramétrica ya no son necesarios y son reemplazados por equipos de computación estándar y el alto grado de automatización también permite a los usuarios no especialistas puedan llevar a cabo el registro fotogramétrico y evaluación de datos.

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Los sistemas digitales, ya que ofrecen la automatización y ciclos de procesamiento cortos, son esenciales para la utilización de la fotogrametría en aplicaciones en tiempo real complejos, tales como la metrología industrial y robótica. Las decisiones se pueden hacer directamente sobre la retroalimentación de los resultados fotogramétricos, si el resultado se entrega dentro de un cierto período de tiempo del proceso, se usa el término fotogrametría en tiempo real.

Figura 28: Sistemas de fotogrametría digital

5.7 Productos Obtenidos de la Fotogrametría En general, los sistemas fotogramétricos suministran objetos tridimensionales, coordenadas obtenidas de las mediciones sobre las imágenes, de éstas podemos obtener otros elementos y dimensiones por ejemplo, líneas, distancias, áreas y definir superficies, así como datos de calidad, tales como las comparaciones con los datos de diseño y control de la máquina. Además la imagen grabada es un almacén de datos que documenta el estado del objeto en el momento de la grabación, los datos visuales se pueden proporcionar como imágenes corregidas de la cámara (ortofotos) o superposiciones gráficas como muestra la figura 29.

Figura 29: Productos obtenidos de la fotogrametría

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5.8 Aplicaciones Las siguientes aplicaciones se encuentran entre las más importantes dentro de la fotogrametría de rango cercano: • • • • • • •

Industria automotriz, maquinaria y la construcción naval Industria aeroespacial Arquitectura, conservación del patrimonio, arqueología Ingeniería Medicina y Fisiología Forenses, incluyendo trabajo de la policía Ciencias Naturales

Figura 30: Ejemplos de aplicaciones de fotogrametría

6 PROCEDIMIENTO DE CANTEO DE HELIÓSTATOS UTILIZANDO LA FOTOGRAMETRIA COMO METODO DE CARACTERIZACION Se utiliza el método de fotogrametría para evaluar la calidad óptica del heliomóvil. Este método implica el uso de un conjunto de imágenes, tomadas desde diferentes posiciones de visión de los objetivos retroreflectantes (codes y targets) fijados en la superficie reflectante. Las imágenes fueron analizadas utilizando el software AICON 3D Studio.

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6.1 Posicionamiento de los Elementos Retroreflectantes La primera parte de la medición consistió en la configuración del posicionamiento de los elementos retroreflectantes sobre los espejos que conforman la superficie reflectante. Como se muestra en la figura 31, se decidió colocar un elemento no-codificado (target) en cada uno de los puntos de sujeción de la faceta, un total de 112 targets, se colocaron 2 elementos codificados (codes) por cada faceta, en total 56 codes, un triángulo de referencia y 4 barras de escala.

Figura 31: Instalación de los elementos retroreflectantes

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6.1.1 Elementos retroreflectantes Los elementos no-codificados se colocan en los puntos de sujeción de la faceta, los cuales cuentan, como se describe en la sección 2.4.1, con un mecanismo de sujeción esparrago – tuercas (figura 12), el cual permite el ajuste de ese punto de la superficie en la coordenada Z, el software solo es capaz de detectarlos pero no de identificarlos. Los elementos codificados se instalaron en medio de cada espejo (2 por faceta), ya que estos elementos tienen una numeración que el software de análisis es capaz de reconocer en cada foto y de esta forma, posicionar en el espacios los elementos no-codificados que están alrededor de él.

Figura 32: Elementos retroreflectantes

6.1.2 El triángulo de referencia Es el elemento que el software reconoce y toma por defecto como el eje de coordenadas de nuestra medición; tiene distribuidos 6 elementos codificados, los cuales se encuentran perfectamente calibrados.

Figura 33: Triángulo de referencia

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6.1.3 Barras de escala Como su nombre lo indica son los elementos que el software utiliza para escalar las medidas obtenidas de los puntos a analizar, estas tienen una longitud de 2 m y a lo largo de ellas se encuentran montados 4 elementos codificados y 5 elementos no codificados. Estas barras están perfectamente calibradas, por lo cual sabemos la medida exacta entre cada uno de sus puntos.

Figura 34: Barra de escala

6.2 Adquisición de las Imágenes Las imágenes fueron tomadas mediante una cámara Nikon D3X, 28mm, la cual esta precalibrada y sus parámetros se ajustan para las condiciones en las que realicemos la adquisición de las imágenes (Iluminación y calidad) requeridas para que el software pueda detectar los objetivos.

Figura 35: Cámara NIKON D3X

Las imágenes fueron tomadas desde distintas posiciones y a distintas elevaciones de la superficie gracias a una plataforma elevadora de brazo articulado, con el fin de hacer un barrido de toda la superficie reflectante. Para asegurar la calidad de la medición, son necesarias un promedio de 250 fotos por medición. Otro parámetro importante que se tomó en cuenta fue la posición de elevación de la superficie reflectante para realizar la adquisición de las imágenes y su posterior canteo. Para esto calculamos obteniendo 55º respecto a la horizontal.

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6.3 Análisis del Software Como se mencionó anteriormente el análisis de las imágenes se realizó mediante el software Aicon 3D Studio. Al comenzar el proyecto, creamos una plantilla o template (Figura 36) en el cual seleccionamos e introducimos una serie de parámetros para que el software pueda reconocer los objetivos que deseamos medir, como son: la cámara y sus parámetros, las barras que utilizamos con sus respectivas medidas, el triángulo de referencia utilizado y el tipo de elementos codificados utilizados.

Figura 36: Introducción de datos para la creación del template

Después cargamos las imágenes obtenidas, con lo cual el programa comienza con el reconocimiento y ubicación de los puntos. Una vez que termina genera una nube de puntos con la cual podemos trabajar (figura 37).

Figura 37: Nube de puntos obtenida del procesamiento de las fotos

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Para cada punto obtenemos su coordenada (X, Y, Z), la desviación estándar de la medición y en número de veces que el programa detecto este punto. También nos permite realizar operaciones como cambiar el eje de referencia a otro lugar, reenumerar o cambiar el nombre de los puntos obtenidos, medir distancias de un punto a otro, comparar dos nubes de puntos para calcular las deformaciones.

Figura 38: Información obtenida por el software AICON

6.4 Calculo de los Nuevos Valores de Canteo En el proceso de canteo en puesta en marcha (sección 2.4.2) se ajustan los puntos del montaje de las facetas al valor de diseño. En nuestro caso no contamos con esta información debido a que la empresa que lo fabrica no revela estos datos, por temas de confidencialidad. Por tanto, tuvimos que utilizar ingeniería inversa para determinar los valores ideales de canteo realizando los siguientes pasos: Se realizó una primera fotogrametría para determinar los valores iniciales de nuestros puntos de canteo, obteniendo sus correspondientes coordenadas (X, Y, Z). Se calculó la superficie de una esfera ideal de un diámetro relativo a la distancia focal del heliomóvil. Introducimos los valor (X, Y) obtenidos de nuestra fotogrametría inicial sobre la superficie ideal de la esfera y calculamos su correspondiente valor en (Z) ya que este valor es el que podemos modificar en el sistema de anclaje de la faceta.

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Figura 39: Ajuste de las coordenadas (X, Y) obtenidas por fotogrametría a una esfera ideal

Comparamos y calculamos el error que existe entre nuestro valor en la coordenada Z real y el valor obtenido de la superficie ideal, con esto obtenemos el valor en milímetros que tenemos que ajustar en cada punto de canteo.

Tabla 2: Diferencia de la coordenada Z entre el valor ideal y el medido en la primera fotogrametría (mm)

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6.5 Ajuste de los Puntos de Canteo El sistema de sujeción de la faceta (punto de canteo) consta de un sistema esparragotuercas. Existe un agujero pasado en la estructura soporte por el cual se introduce el esparrago y se fija por cada lado por medio de las tuercas. De esta forma, podemos desplazarnos sobre el eje Z en cualquiera de los dos sentidos (positivo o negativo) sólo apretando o aflojando las tuercas.

Figura 40: Ajuste de puntos de canteo (imagen izquierda). Posicionado del reloj comparador (imagen derecha)

Para saber exactamente cuánto hay que ajustar las tuercas, utilizamos un reloj comparador digital, el cual fijamos mediante una base magnética a la estructura soporte y medimos justo en el centro del extremo del esparrago hasta dejar a cero el error calculado. Una vez ajustados todos los puntos comprobamos el resultado por medio de fotogrametría, y si algún valor está por encima del límite, volvemos a ajustarlo. Este proceso iterativo se realiza hasta que todos los valores están dentro del límite permitido. El sistema de medición por fotogrametría ofrece precisiones de hasta 0,1 mm y el reloj comparador de hasta 0.01 mm. Ambos valores están por encima de la precisión que podemos realizar con el ajuste manual del sistema esparrago-tuercas, por lo que decidimos que un valor por debajo de 0,5 mm es permisible. Con esta precisión se pueden ajustar todos los puntos con sólo dos iteraciones.

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7 RESULTADOS

Tabla 3: Diferencia de la coordenada Z entre el valor ideal y el medido en la última fotogrametría (mm)

Esta tabla muestra la diferencia en milímetros de la coordenada Z entre la superficie ideal y la superficie real del heliomóvil, como podemos observar logramos corregir todos los valores dentro del límite establecido (±0.5 mm). Una vez afinado el proceso logramos corregir el error inicial de canteo en dos iteraciones, optimizando al máximo el tiempo requerido para esta operación. Se tomó de nuevo una imagen de la proyección solar sobre la diana desde la misma posición y utilizando los mismos filtros de densidad neutro que la imagen inicial, para comparar y comprobar el resultado del canteo. Comparando las dos imágenes observamos una gran mejoría en la nueva imagen respecto a la anterior. Sobre todo podemos comprobar como desaparece la división de la imagen en dos focos. La imagen correspondiente al canteo por fotogrametría de la figura 40 parece más pequeña debido a que sé que ajusto el filtro de la cámara CCD para que la imagen no se saturara ya que ahora el foco está más concentrado.

Figura 41: Proyección de la imagen del sol sobre la diana (Canteado inicial y final)

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Para validar los resultados se realizó un análisis de distribución de flujo con las imágenes obtenidas, en donde se evalúa el nivel de brillantes en cada pixel, el cual es representado por una escala de colores definida con anterioridad. Gracias a la escala de colores se aprecia perfectamente como se ha logrado mejorar significativamente la concentración global de las facetas, eliminando por completo nuestro problema inicial de concentración en dos focos.

Figura 42: Análisis de distribución de flujo de las imágenes. Canteo inicial (fig. izquierda). Canteo final (fig. derecha)

Queda aclarar que el análisis de la distribución de flujo solo es un mecanismo de validación para los resultados obtenidos en esta fase experimental, ya que las pruebas realizadas durante este proceso nos permiten confirmar la fiabilidad de los datos obtenidos por el propio software que incorpora la fotogrametría.

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8 CONCLUSIONES Como se comentó, el objetivo de este trabajo es encontrar un método que permita realizar el proceso de canteo de un helióstato para que cumpla con los requerimientos constructivos de calidad, tiempos de ejecución y costos. De esta manera se consigue que el sistema pueda ser aplicable en la construcción de una planta solar comercial. Desde mi punto de vista creo que la fotogrametría cumple perfectamente con los requerimientos que demanda el proceso, ya que ha demostrado en este proyecto que es funcional desde varios puntos de vista importantes: 1) Tiempo de ejecución. Para analizarlo se realizó una estimación en base a los trabajos realizados para este proyecto. Los resultados son bastante alentadores ya que conseguimos realizar el proceso por completo en 16 horas, tomando como base dos personas dedicados a este proceso. 2) Los costos para la adquisición del sistema son muy competitivos comparados con otros sistemas de medición de superficies, los cuales, debido a la complejidad de su sistema de adquisición de datos, necesitan un elevada inversión inicial y presentan también elevados costos de mantenimiento. Aunque estos sistemas presentan otras ventajas respecto a la forma y características de la medición, creo que para esta aplicación en específico, la fotogrametría obtiene una excelente relación precisión – precio ya que la inversión inicial torna alrededor de 35000 euros dependiendo fundamentalmente de la elección del software. Los costos de mantenimiento son debidos casi por exclusiva a la calibración, y se reducen considerablemente al utilizar los módulos de autocalibración que ofrecen actualmente algunos softwares para la cámara y los accesorios utilizados. 3) Materiales auxiliares. El tema de los fungibles quizás sea la mayor desventaja que presenta la fotogrametría con respecto a otros sistemas, ya que para realizar la medición, el software requiere de una serie de elementos retroreflectantes a instalar sobre la superficie a evaluar. Esto se tiene que hacer por medio de pegatinas ya que lo que evaluamos son espejos y por su espesor no alteran el valor de la medición. Esto implica que debemos incluir este parámetro dentro del cálculo de los costos de medición y que nuestro tiempo de ejecución se incrementa, ya que sólo instalar/desinstalar estos elemento representa 2/3 partes del tiempo utilizado para el canteo. Por otro lado no todo son desventajas ya que este tipo de elementos permiten realizar medidas directamente sobre la superficie reflectante del espejo que otros sistemas no son capaces de conseguir, permite medir los puntos exactos de interés sin tener que realizar un barrido general de todos los puntos de una superficie, y que los nuevos modelos de pegatinas utilizan sistemas de fijación electroestáticas las cuales son mucho más rápidas de mostrar/desmontar, no ensucian ni dejan residuos y en muchos de los casos son reutilizables para varias mediciones.

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4) Precisión. Como se representa en la figura la fotogrametría industrial tiene un rango de precisión entre 0,5 y 0,001 mm dependiendo del tamaño del objeto a medir. Para nuestro requerimiento es más que suficiente ya que como se menciona en el apartado 6.5, el sistema de fijación y ajuste de las facetas a la estructura soporte dificulta los ajustes por debajo de 0,1mm, incrementando de manera importante el número de iteraciones del proceso. 5) Hay destacar la versatilidad que nos proporciona la fotogrametría para trabajar tanto en interior como en mediciones de campo sin perder prestaciones, ya que solo modificando los parámetros de la cámara podemos realizar mediciones en casi cualquier condición de iluminación. También se ajusta a condiciones más extremas de trabajo como las que se tienen en una planta solar comercial (Temperatura y polvo en la atmosfera). Sabemos que queda mucho trabajo por delante ya que existen muchos puntos en los cuales se puede optimizar el proceso, debido a que en esta primera fase solo utilizamos recursos “comerciales”, la siguiente etapa consiste el diseñar herramientas que ayuden a mejorar los tiempos de operación. Como aclaro en la sección 7 de resultados de este documento, hemos demostrado que ajustando los valores de canteo a los valores de diseño (ideales) con una tolerancia definida por la relación precisión –tiempo de ejecución, se puede realizar el canteo de la superficie reflectante de un helióstato con mejores resultados que los métodos convencionales sin tener que recurrir a métodos de validación extras, ayudando a mejorar la calidad óptica del helióstato y a su vez el rendimiento global de la central.

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