ES2280138B1 - Un sistema dinamico de seguimiento solar. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema dinámico de seguimiento solar, para el aprovechamiento óptimo de la energía solar mediante paneles de placas fotovoltaicas o térmicas, en el que se desarrolla un seguidor que es de naturaleza modular, que adopta la configuración de una viga principal susceptible de alineamiento con otras de igual naturaleza, siendo este conjunto de vigas principales susceptible de pivotamiento respecto a su eje longitudinal, estando cada de estas vigas compuesta por un número variable de módulos formados por perfiles que en su conjunto proporcionan a cada viga una configuración a modo de malla de tetraedros, y en cada uno de los cuales se monta una estructura de vigas secundarias para soportar los paneles de placas, estando esta estructura secundaria sustentada por dos soportes laterales respecto a los que puede girar respecto a un eje transversal a la dirección longitudinal de las vigas principales. El conjunto incorpora medios de control para la orientación automática de los paneles, y una estación meteorológica para la provisión de información a los medios de control.

Description

Un sistema dinámico de seguimiento solar.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un sistema dinámico de seguimiento solar, que aporta esenciales características de novedad y notables ventajas con respecto a los medios conocidos y utilizados para los mismos fines en el estado actual de la técnica.

Más en particular, la invención propone el
desarrollo de un seguidor solar implementado en torno a una estructura de viga modular según su dirección longitudinal, capacitada para girar en torno a su eje longitudinal, compuesta de perfiles que se unen en una malla de tetraedros, y en la que se apoyan otras estructuras o paneles que contienen placas solares, también pivotantes respecto a un eje transversal a la longitud de la viga. El conjunto incluye un sistema de control preparado para actuar sobre la viga y las estructuras que sostienen los paneles, de modo que dichas placas solares se mantienen automáticamente en posición óptima de recepción solar para una máxima generación energética.

El campo de aplicación de la invención se encuentra comprendido, obviamente, dentro del sector industrial dedicado a construcción de instalaciones para energías renovables, en especial para el aprovechamiento de la energía solar.

Antecedentes y sumario de la invención

Los expertos en la materia son conocedores de la progresiva evolución experimentada por las energías renovables, para un aprovechamiento más completo de las mismas, y para una incidencia cada vez mayor en el mercado de consumo. En este sentido, el Plan de Fomento de las Energías Renovables en España para la década 2000-2010, de acuerdo con la Ley 54/1997 de 27 de Noviembre, del Sector Eléctrico, establecía unos objetivos por áreas que permitan alcanzar, en el año 2010, el objetivo de que las fuentes de energía renovables cubran como mínimo el 12% de la demanda total de energía primaria.

Hasta la fecha, tres fuentes renovables han evolucionado de forma que se puede considerar satisfactoria: eólica, biocarburantes y biogás. La energía solar, sin embargo, se está desarrollando a un ritmo sensiblemente por debajo del necesario para alcanzar los objetivos finales.

La producción de energía eléctrica directamente mediante el efecto fotovoltaico, presenta indudables ventajas energéticas, industriales, medioambientales, sociales, etc. Entre ellas, la implantación de la energía solar fotovoltaica tan amplia como sea posible, contribuirá a impulsar un futuro desarrollo tecnológico que lleve este procedimiento de generación eléctrica a términos cada vez más competitivos frente a otras formas de generación de energía, ya que el desarrollo de la solar fotovoltaica encuentra como principales barreras, las de carácter económico, con la consiguiente limitación de su desarrollo.

El mencionado Plan de Energías Renovables ha planteado como objetivo el hecho de incrementar la potencia fotovoltaica en 363 MWp en el período 2005-2010.

La industria española ha realizado durante los últimos años un notable esfuerzo de desarrollo tecnológico, empresarial e industrial, siendo las líneas principales de innovación las siguientes:

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El desarrollo de la materia prima para la construcción de las células solares, ya que uno de los obstáculos a los que se enfrenta el sector es la falta de materia prima (silicio de grado solar), y

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El desarrollo de módulos de concentración que permitan conseguir niveles de eficacia sensiblemente más altos, tanto en sistemas estáticos sin seguimiento solar, como sistemas dinámicos con seguimiento solar en uno o dos ejes de concentración.

Como se sabe, los equipos o seguidores actuales de producción de energía solar, montan placas fotovoltaicas en un "único" panel o estructura, cuya máxima captación energética se produce cuando éste se dispone en posición perpendicular a los rayos solares, con movimiento según dos ejes: uno de rotación vertical con el que se lleva a cabo la inclinación del panel, y otro de rotación angular para la orientación el sol en función de la estación del año.

Un panel de este tipo, abarca una determinada superficie de captación de energía, y normalmente se encuentra soportado por una estructura de vigas transversales y perpendiculares que constituyen un conjunto que descansa sobre una viga o mono-poste de altura considerable o estructura de varios puntos de apoyo.

La estructura o panel donde se montan las placas fotovoltaicas, se apoyan sobre una única base giratoria horizontal, dispuesta sobre una torre o viga mono-poste sobre la que gira por la acción de un determinado mecanismo actuador (por ejemplo, un motorreductor). La torre o viga se encuentra encastrada en una zapata de hormigón enterrada en el terreno, y alberga los sistemas de control automático de los movimientos del panel, los equipos de control de corriente y protecciones eléctricas, así como otros elementos necesarios para su correcto funcionamiento.

Dependiendo de la superficie del único panel del seguidor (la cual está limitada por las acciones del peso de los elementos que lo componen y de las fuerzas del viento), se colocan en una instalación un número determinado de seguidores que permita reunir la potencia eléctrica de producción deseada. Esto obliga a colocar los seguidores con una separación óptima predeterminada entre los mismos, de modo que se minimicen las pérdidas de energía solar debidas al sombreado. Como regla general, cuando más separados estén los seguidores entre sí, menores son las pérdidas de energía solar que se producen entre ellos a causa de las sombras. Esto implica ocupar una extensión de terreno determinada en función del número de seguidores a instalar.

Por otro lado, cuanto mayor es el número de seguidores instalados, mayor es también el número de equipos de control de movimientos del seguidor que han de instalarse, además de los equipos de control de calidad de corriente de red, protecciones eléctricas, instalaciones de cableado, y mayor número de montajes mecánicos, eléctricos y de cimentación.

Si se opta por aumentar la superficie del panel para poder reducir el número de seguidores, se presenta el inconveniente de que deben instalarse estructuras más resistentes y pesadas que permitan asegurar su estabilidad respecto al viento, lo que inevitablemente incide sobre el coste, la optimización de los movimientos del seguidor, y un aumento de la separación entre seguidores para minimizar las pérdidas debidas al sombreado.

Tomando en consideración la problemática existente en torno a las instalaciones de generación de energía solar del estado actual de la técnica, la presente invención se ha propuesto como objetivo principal el diseño y construcción de un sistema dinámico de seguimiento solar, para la incorporación de paneles fotovoltaicos o térmicos, con el que se aporten soluciones que resuelvan eficazmente la situación planteada. Este objetivo ha sido plenamente alcanzado mediante el sistema que va a ser descrito en lo que sigue, cuyas características principales están recogidas en la parte caracterizadora de la reivindicación 1 anexa.

En esencia, el seguidor está estructurado en torno a una viga pivotante y un sistema de control que actúa sobre dos o más mecanismos de accionamiento con la misión de disponer los paneles con una orientación óptima respecto a los rayos solares incidentes, es decir, buscando siempre la perpendicularidad con éstos, de manera que se pueda obtener la máxima producción energética. La mencionada viga pivotante adopta forma de paralelepípedo, compuesta de perfiles que se unen en una malla de tetraedros, y es de carácter modular en lo que a longitud se refiere. Dicha viga gira con respecto a su eje longitudinal.

Sobre un lado de la viga paralelepipédica, se apoyan otras estructuras o paneles que contienen placas solares, también pivotantes respecto a un eje transversal a la longitud de la viga.

La citada viga se sustenta sobre dos apoyos, uno en cada extremo, que la mantienen elevada a una altura determinada, y que constituyen apoyos pivotantes. Un mismo apoyo puede ser utilizado para sustentar más de una viga.

Por su parte, el sistema de control actúa sobre los accionamientos de la viga y de las estructuras que contienen los paneles, realizando los movimientos de seguimiento al sol, uno azimutal entre la salida y la puesta del sol, y otro cenital entre el horizonte y la posición más alta del sol, situando en todo momento los paneles perpendiculares al sol y captando así la máxima cantidad de energía.

Con preferencia, el sistema de control será un sistema informático, aunque esta característica no debe entenderse como limitativa, dado que también son posibles otros sistemas control distintos de las aplicaciones informáticas.

Como se comprenderá, el sistema propuesto por la invención proporciona un medio eficaz de seguimiento solar para un rendimiento óptimo de la instalación energética, solucionando los distintos inconvenientes de los que adolecen las instalaciones conocidas en el estado de la técnica, y que se han mencionado someramente en la exposición que antecede.

Breve descripción de los dibujos

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 es una vista general, esquematizada, de un seguidor modular construido de acuerdo con la presente invención;

La Figura 2 es una vista más detallada, a mayor tamaño, de una porción del seguidor de la Figura 1, y

La Figura 3 es una vista esquemática, en alzado, tomada por un extremo del seguidor de la Figura 1.

Descripción de una forma de realización preferida

Tal y como se ha indicado en lo que antecede, la descripción detallada de la forma de realización preferida de la invención va a ser llevada a cabo en lo que sigue con la ayuda de los dibujos anexos, a través de los cuales se utilizan las mismas referencias numéricas para designar las partes iguales o semejantes. Así, atendiendo en primer lugar a la representación de la Figura 1, se puede apreciar una vista esquemática, en alzado, de un seguidor diseñado y construido de acuerdo con la invención, compuesto por vigas 2 pivotantes con un grado de libertad, que por los extremos están sustentadas por dos apoyos 1, sirviendo los apoyos 1 intermedios para sustentar dos vigas, facilitando con ello la instalación sucesiva y repetitiva de las vigas en posiciones respectivamente alineadas. A su vez, cada viga 2 está compuesta por una multiplicidad de módulos 4 colocados siguiendo la dimensión longitudinal de la misma, como puede verse con mayor detalle en la representación de la Figura 2, cada uno de los cuales adopta configuración tetraédrica que se va acoplando a los inmediatamente anterior y posterior con la ayuda de piezas intermedias que constituyen nudos de unión 11. Cada uno de los módulos 4 incorpora un panel o placa fotovoltaica 3 respectiva, estando cada una de estas placas soportada por una estructura de vigas 5 que la sujetan, y siendo cada una de estas estructuras 5 susceptibles de giro en torno a un eje transversal a la dirección longitudinal de la viga 2, merced a la provisión de apoyos 6 instalados en la viga principal 2. De igual modo, se ha previsto un único mecanismo de desplazamiento 7 para hacer que todos los paneles 3 asociados a una viga principal 2 giren con respecto a su eje, y poder así inclinar la superficie de captación 3 y por tanto la posición de las placas respecto al sol. El basculamiento de la viga principal 2 respecto a su eje longitudinal, con todos los paneles de placas fotovoltaicas 3, se efectúa por medio de un mecanismo de giro 8 que actúa sobre dicha viga principal 2, orientando con ello los paneles de placas fotovoltaicas 3. El citado mecanismo de giro 8 está instalado en uno de los apoyos 1, mientras que el equipamiento de control 9 se encuentra asimismo instalado en uno de los apoyos, permitiendo que se pueda realizar el control del mecanismo de desplazamiento 7 y del mecanismo de giro 8 que actúan en todo momento sobre la superficie de captación, manteniéndola en todo momento orientada perpendicularmente a los rayos solares incidentes de modo que se capte la máxima energía solar a lo largo del día en virtud de la latitud en la que se encuentre instalado el seguidor o conjunto de seguidores, la fecha y la hora del día, o en virtud de un sensor óptico.

Como se comprenderá, con un seguidor construido en base a una viga 2 formada por elementos modulares 4 como los descritos, se puede adaptar la longitud de la viga a las distintas necesidades, en función del número de módulos de paneles fotovoltaicos o térmicos que se desee que configuren el seguidor solar.

La invención ha previsto asimismo la inclusión de una estación meteorológica 10 situada en uno de los apoyos 1, mediante la que se generan informaciones que se suministran al sistema de control 9 y permiten que este último pueda posicionar el seguidor con la orientación adecuada para una mayor producción eléctrica o para su protección frente a los agentes climáticos.

Adicionalmente, el equipo de control 9 está concebido de manera que permite posicionar los paneles de las placas 3 en posiciones de fácil limpieza o para evitar acumulación de nieve o protegerlos frente a actos vandálicos; asimismo, permite situar los paneles orientados hacia el Este durante la noche, esperando en esta posición la salida del sol y en función de la situación del sol de los días anteriores.

La Figura 3 es una representación esquemática según un alzado del conjunto tomado por un extremo de la instalación, en la que se aprecia la viga principal 2 con los soportes 6 de las estructuras de paneles 3, sustentada por los soportes laterales 1 a una distancia predeterminada del suelo u otra superficie de sustentación, siendo esta distancia suficiente para permitir un perfecto basculamiento de la viga principal 2 con respecto a su eje longitudinal según se ha descrito anteriormente, y cuya capacidad de giro total puede estar en torno a un ángulo de alrededor de 180º, accionada por medio de un motorreductor (no representado específicamente).

Con un sistema de seguimiento como el descrito, se obtiene una gran cantidad de notables ventajas respecto a las instalaciones convencionales, entre las que se pueden citar las siguientes:

- Posibilidad de instalar más de un panel sobre un seguidor, aumentando la superficie de captación a niveles superiores a los seguidores actuales;

- Seguidor sujeto a dos apoyos en lugar de un mono-poste, consiguiendo una mayor estabilidad frente al viento;

- Necesidad de menos terreno para instalar una potencia eléctrica determinada, debido a que sobre un seguidor o tren de seguidores, se monta más de un panel de placas, y debido a su posición, se evita la necesidad de tener separaciones entre seguidores para minimizar los efectos de pérdida de energía que se producen entre varios seguidores;

- Menor cantidad de cimentaciones debido a que se necesita un menor número de apoyos para la misma potencia instalada;

- Facilidad de diseño y ajuste de la potencia eléctrica del seguidor a las necesidades de la instalación, al ser modular y poder así variar el número de paneles de placas que se pueden instalar en un seguidor;

- Fácil montaje de los elementos que componen un seguidor al formar un kit completo con los elementos que componen un seguidor, evitando uniones soldadas, siendo simplemente uniones atornilladas o de fácil ejecución;

- Mayor estabilidad al viento, dado que las superficies individuales de un panel de placas es menor que la superficie de un panel de placas de un seguidor mono-poste o similar; además, existe suficiente separación entre paneles de placas como para evitar que la presión del viento de un panel afecte a otro panel;

- Menor coste en la instalación sobre el terreno de elementos mecánicos, eléctricos y de obra civil al disponer de menor número de seguidores a instalar para la misma potencia eléctrica;

- Instalación modular y ampliable del seguidor;

- Menor número de equipos de control necesarios tanto para controlar los movimientos de los dos ejes del seguidor como para controlar la calidad de producción eléctrica a la red (menor número de inversores aunque éstos sean de mayor potencia);

- Control informático único para una planta de producción de una determinada potencia, con capacidad para indicar la situación de todos los seguidores que componen el tren de seguidores, sin necesidad de tener que instalar un control informático para cada seguidor;

- Posibilidad de instalar concentradores o paneles térmicos en lugar de, o adicionalmente a, los fotovoltaicos;

- Sistemas de seguridad para los efectos climatológicos, viento y granizo.

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de esta descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y las ventajas derivadas de la invención, así como desarrollar y llevar a la práctica el objeto de la misma.

No obstante, debe entenderse que la invención ha sido descrita según una realización preferida de la misma, por lo que puede ser susceptible de modificaciones sin que ello suponga alteración alguna del fundamento de dicha invención, pudiendo afectar tales modificaciones a la forma, al tamaño y/o a los materiales de fabricación.

Claims (6)

1. Un sistema dinámico de seguimiento solar, para el aprovechamiento óptimo de la energía solar incidente sobre los paneles fotovoltaicos y/o térmicos de que conste la instalación, caracterizado porque consiste en la formación de una o más vigas principales (2) sustentadas por medio de soportes (1) en relación con los extremos de las vigas, y con aprovechamiento de un mismo soporte (1) para la sustentación por los extremos contiguos de dos vigas (2) adyacentes alineadas, siendo cada viga principal (2) de naturaleza modular, constituida por un número predeterminado de módulos (4) que están acoplados sucesivamente entre sí a largo de la longitud de la viga mediante la ayuda de nudos de encuentro (11), y consistiendo cada módulo (4) en perfiles que se unen para adoptar una configuración a modo de malla de tetraedros, en cada uno de los cuales se apoya una estructura de vigas (5) que sujeta una placa solar portadora un panel que contiene las placas (3) de tipo fotovoltaico (o en su caso, de tipo térmico), estando las mencionadas estructuras (5) de soporte de los paneles de placas (3) extendidas transversalmente al eje longitudinal de la viga, o sucesión de vigas, principal(es), estando cada una de dichas estructuras de vigas (5) sustentada por dos apoyos extremos vinculados a la viga principal (2) correspondiente de manera basculante, giratoria según un eje transversal a la viga, con el fin de proporcionar un primer grado de libertad, y siendo la(s) viga(s) principal(es) (2) susceptible(s) de pivotamiento respecto a los puntos de sujeción a los elementos de apoyo (1) extremos según el eje longitudinal de
la(s) viga(s) principal(es) proporcionando con ello un segundo grado de libertad, que junto con el primero, permiten un dirección preciso de los mencionados paneles de placas (3) en relación de perpendicularidad óptima con los rayos solares incidentes.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un único mecanismo de desplazamiento (7) para el giro de todos los paneles (3) instalados con relación a una misma viga principal (2), con el fin de inclinar la superficie de captación (3) respecto a la posición del sol.

3. Sistema según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende la incorporación de un mecanismo (8) que actúa sobre la viga principal (2) con el fin de hacerla bascular respecto a su eje longitudinal durante el movimiento de orientación de los paneles (3).

4. Sistema según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque incluye medios de control (9) informatizados, para el seguimiento de los movimientos del seguidor y la perfecta orientación automática de los paneles (3).

5. Sistema según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque incluye además la instalación de una estación meteorológica (10) mediante la que se proporcionan informaciones a los medios de control (9) con vistas a un posicionamiento óptimo de los paneles (3) o para su protección frente a los efectos climáticos.

6. Sistema según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la fijación de la(s) viga(s) princi-
pal(es) (2) a los soportes extremos (1) se realiza a una altura tal que permite el basculamiento sin obstáculos de dicha(s) viga(s) a través de un ángulo de amplitud próxima a 180º.