D E S C R I P C I O N

OBJETO DE LA INVENCION

La invención, tal como expresa, el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una estructura cubreedificios de captación energética que aporta a la función a que se destina varia ventajas e innovadoras características, que se describirán en detalle más adelante, que suponen una destacable mejora del estado actual de la técnica en su campo.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en una estructura que tiene como finalidad integrar a la vez captadores energéticos solares y eólicos sobre uno, dos o mas edificios cumpliendo además, cuando abarca uno o más edificios una función de refuerzo ai actuar de armadura de los edificios a los que abarca dotándolos de propiedades antisísmicas, con la ventaja de que, por una parte, los captadores solares serán fácilmente accesibles para realizar las operaciones de supervisión y mantenimiento y, por otra parte, que con los captadores eólicos, utilizando los espacios huecos y los puntos fuertes de la estructura (nudos) sobre los que pivotan, se aprovecha el efecto túnel existente entre el techo solar y la cubierta de los edificios.

De esta forma, gracias a las estudiadas características estructurales del diseño espacial de la estructura propuesta, ésta permite cubrir grandes luces y voladizos con poco peso y alta rigidez, permitiendo disponer de mayores áreas y espacios abiertos que

HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) permiten integrar con facilidad un número importante de captadores energéticos, mejorando ventajosamente las condiciones de autosuficiencia energética de los edificios y, por tanto, de las ciudades.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector técnico de la construcción, particularmente en el ámbito de la construcción de edificios, urbanizaciones y ciudades para que sean energéticamente sostenibles, tanto desde el punto de vista energético como del meramente constructivo, abarcando ambos objetivos a partir de elementos prefabricados y posteriormente montados "in situ".

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La idea de que la actividad humana tenga un impacto controlado sobre el medio ambiente y la comunidad, garantizando su sostenibilidad en el tiempo, implica la necesidad de concebir las agrupaciones de personas, bien sea en edificios, pueblos o ciudades, con otros criterios. Estas agrupaciones acaban convirtiéndose en grandes consumidores de energía, como es el caso de las ciudades.

El consumo de electricidad en la vivienda representa, en términos medios, el 35% de la demanda total, incrementándose este porcentaje en países más cercanos a los Polos y conforme aumenta su calidad de vida. De este 35%, los picos de demanda se producen en las primeras horas de la tarde y de la noche coincidiendo con las horas de la comida y de la cena siendo el pico más alto dos horas después de la puesta del sol.

La sostenibilidad, desde el punto de vista de la arquitectura, trata de conseguir, mediante sistemas pasivos y activos no agresivos con el medio ambiente, que el individuo que interactúa con el edificio, obtenga los adecuados niveles de confort y habitabilidad. Para lograrlo no sólo técnica sino económicamente, los gobiernos incentivan la captación de energía solar sobre fachadas y cubiertas, primando el precio del k h exportado a red, en el caso concreto de captadores integrados en el edificio.

Generar "in situ", justo donde se consume, significa aumentar la seguridad de suministro energético, reducir las pérdidas por transporte y mejorar el respeto al medio ambiente por la eliminación de grandes redes de transporte.

Ahora bien, para asegurar el suministro de electricidad a los edificios y ciudades hace falta algo más que una ley que incentive el kWh captado y exportado a red.

De una parte las superficies aprovechables en edificios para la captación solar se reduce a la de las cubiertas o terrazas, ya que de las paredes, sólo la de orientación mediodía solar sería aprovechable, y los captadores solares no rinden bien colocados en posición vertical, con lo cual el único espacio realmente aprovechable son las cubiertas. Sin embargo los edificios, en especial en la ciudad, tienen mucha altura en relación al área ocupada, con lo que la superficie aprovechable (terraza o cubierta) no es suficiente para que la energía a captar represente una parte significativa de la demanda del propio edificio, con lo que la política de primar el kWh captado y exportado a red, no soluciona, a nivel de ciudad, el problema ya que las áreas utilizables son pequeñas (terrazas) y la energía captada no coincide en el tiempo con la máxima demanda (horas pico de la tarde- noche) por lo que será necesario encontrar soluciones técnicas y arquitectónicas que permitan ampliar las áreas de captación para así captar más energía, almacenarla durante las horas de más disponibilidad para contar con ella cuando se necesite, es decir, durante el pico que se genera por la tarde-noche.

Por otra parte el aprovechamiento de la energía eólica sobre edificios es, hasta ahora, una asignatura pendiente. La integración de ambos tipos de energías (solar + eólica) en una misma estructura que además forme parte de la propia estructura resistente del edificio, aumenta su estabilidad y la seguridad de suministro energético al edificio.

Así pues, el objetivo de la presente invención, es aportar al estado de la técnica una innovadora estructura cubreedificios en la que se integran los criterios anteriormente expuestos, debiendo señalarse que por parte del solicitante se desconoce la existencia de ninguna otra invención o solución elaboradas a partir de estas premisas, ni basada en estos principios que presente características técnicas, estructurales y constitutivas semejantes a las que presenta la estructura que aquí se preconiza.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN Así pues, ampliar las áreas de captación es hablar de ampliar las superficies disponibles en terrazas o cubiertas sin perjudicar, lógicamente, la estabilidad del edificio. Muy al contrario, lo más interesante es aprovechar la nueva cubierta para aumentar la estabilidad de los edificios que abarca.

Para aumentar el área, será necesario cubrir zonas comunes entre edificios o fuera de los edificios mediante voladizos. Para aumentar la estabilidad, en lugar de apoyar toda la estructura sobre un edificio deberemos hacerlo sobre dos o mas edificios siempre que la estructura sea continua, rígida y de poco peso que además ejerza baja resistencia al viento y sea capaz de vencer grandes voladizos y luces entre apoyos. Estas características se corresponden con las de un diseño de estructura espacial. La estructura preconizada basada en la unión de barras mediante nudos formando pirámides de base cuadrada, yuxtapuestas, y lados formados por triángulos equiláteros o isósceles, reúne las características anteriormente enumeradas.

A su vez su diseño condiciona que la distancia entre los apoyos de dicha estructura (columnas) coincida con múltiplos enteros de la equidistancia entre nudos de la estructura. Por tanto el diseño de la estructura resistente de los edificios está condicionado por la estructura espacial cuya distancia entre columnas serán múltiplos enteros de la equidistancia entre nudos. A su vez la unión entre nudos y columnas se dimensionará adecuadamente, para que resulte un "todo estructural" que arme por su parte superior toda la estructura del edificio y cuando se trate de una estructura que abarque uno, dos o más edificios mejorará la estabilidad del conjunto proporcionando así construcciones antisísmicas. Dado que la estructura preconizada está formada por un conjunto de tubos unidos por sus extremos formando pirámides cuyos vértices están desfasados y yuxtapuestos, se podrá aprovechar el diseño de su base superior (cuadrados) para inscribir paneles solares que constituirán un techo solar. Como los paneles requieren de limpieza periódica será conveniente buscar un sistema de fijación que permita su accesibilidad.

Lo más adecuado será fijar el marco del panel o paneles de forma abisagrada sobre los lados que forman la base superior de cada pirámide, para que a modo de hoja de ventana se pueda abatir y facilitar su limpieza. Como el operario tendrá que andar apoyado en los lados de los marcos inferiores, con arnés, que le permita moverse y asegurarse, será preferible que las barras que forman los lados de la base inferior de la estructura espacial sean de tubo estructural cuadrado, para así ofrecer una superficie plana de apoyo a los pies .

Por su parte, la altura de la estructura, es decir, la distancia entre sus bases superior e inferior, será tal que un hombre pueda transitar entre dichas bases y acceder a la manilla o cerrojos que abren los marcos de los paneles. Estos últimos se podrán apoyar sobre patas que, a su vez, se fijen sobre los nudos de la base inferior. Todos los nudos de la estructura estarán taladrados en su eje vertical para servir de apoyos a patas o turbinas .

De esta forma conseguiremos los objetivos anteriormente expuestos, esto es: aumento de las áreas disponibles para una mayor captación solar, aumento de la estabilidad de los edificios abarcados y armados por la estructura, baja resistencia al viento, fácil integración de los captadores fotovoltaicos y buena accesibilidad a los mismos.

Otra característica de la estructura propuesta por la invención que interesa resaltar, es el gran volumen que ocupan sus huecos o espacios vacíos . Estos espacios se aprovecharan para colocar turbinas eólicas que, trabajando confinadas entre el techo solar y la cubierta del edificio, capten la energía del viento sin perturbar la captación de origen solar, resultando así un sistema energético híbrido integrado en una misma estructura.

Esta disposición será adecuada, por ejemplo, en lugares entre trópicos en los que suele existir muchas horas de sol y su cénit próximo a la vertical del lugar, priorizando así la captación solar sobre la eólica. En otros emplazamientos, por ejemplo, fuera de trópicos o en los que interese priorizar la captación eólica sobre la solar, las turbinas eólicas distribuidas como más interese, podrán compartir el techo con los captadores solares, en este caso sus diámetros de rotor y por tanto su potencia podrían ser mayores .

El modelo de turbina eólica que preferentemente incorpora la estructura propuesta parte de una estructura autotimonante a modo de boomerang, que pivota empotrada de un nudo de la base superior de la estructura, ayudada por un timón. Dicho diseño permite situar el eje del plano de rotación del rotor en el mismo eje de pivotamiento . Esta solución elimina efectos giroscópicos y aprovecha al máximo el espacio hueco ocupado por el rotor de la turbina. Se trata, pues de una estructura que integra dentro de su volumen dos tipos de energía, solar en su techo y eólica en su interior. Esta hibridación ayudará a disminuir el volumen del sistema de almacenamiento (baterías o supercondensadores) , etc.) aumentando la seguridad de suministro.

Así mismo, se contempla la existencia de un sistema de control y comunicaciones que se encargue de administrar el destino de la energía recogida, gestionar el conjunto en función de la energía disponible en cada momento, de la demanda y del estado de carga de las baterías, es decir, que decida si la energía obrante generada en cada momento se destina a consumo del propio edificio o edificios, o a completar el almacenamiento y/o a la venta a red.

Para el dimensionado del almacenamiento de energía se partirá, preferentemente de un programa informático específico, tal como el denominado "HO ER" elaborado por la empresa NREL, con las modificaciones oportunas a la aplicación, en el que se priorice buscar la máxima cantidad cuyos flujos económicos podrían destinarse a financiar la inversión.

Se constata pues, que el sobredimensionado del techo solar con respecto a la demanda propia de los edificios junto con la integración eólica y la acumulación energética permite conseguir el objetivo de obtener ciudades energéticamente sostenibles al aprovechar las zonas comunes entre edificios tales como plazas, parques o zonas de recreo, cubiertas por estructuras como la aquí propuesta, superficies generadoras de energía que representan un concepto innovador de integración energética y arquitectónica que, gracias al sistema acumulador y al programa informatizado permitirá una disponibilidad energética que supone un nuevo concepto en la forma de integrar y aprovechar las fuentes renovables.

La descrita estructura cubreedificios de captación energética representa, pues, una innovación de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1.- Muestra una vista de perfil de la estructura cubreedificios de captación energética objeto de la invención, en un ejemplo de la misma que abarca dos edificios próximos que comparte zonas comunes, tal como una escalera de acceso, pertenecientes por ejemplo a una misma comunidad, apreciándose en ella las principales partes y elementos que comprende así como la configuración y disposición de los mismos .

La figura número 2.- Muestra una vista de perfil de otro ejemplo de la estructura según la invención que, en este caso abarca dos edificios de iguales características a los de la figura anterior pero separados por una vía transitada.

La figura número 3.- Muestra una vista en perspectiva de un detalle del techo solar que incoropra la estructura de la invención, apreciándose en ella la actuación de un operario para realizar la limpieza de los captadores solares.

La figura número 4 . - Muestra, en una vista en alzado lateral de la estructura, el detalle de una de las turbinas eólicas que incorpora pivotando en uno de los nudos superiores, apreciándose en ella el tubo acodado en forma de boomerang que conforma la góndola.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.

Así, tal como se observa en dichas figuras, la estructura cubreedificios de captación energética que la invención propone consiste en una estructura (1) tubular, basada en un diseño espacial formado por pirámides yuxtapuestas de base cuadrada, cuyas aristas convergen en nudos (5) de unión de los diferentes tubos que la conforman, la cual está eminentemente diseñada y destinada para incorporarse sobre la cubierta de uno, dos o más edificios (2) contiguos o cercanos, y dentro de cuyo volumen se integran dos tipos de captadores energéticos, captadores solares (6) y captadores eólicos (7) , sin que se descarte la posibilidad de contar sólo con un tipo de ellos, es decir, solo captadores solares o solo captadores eólicos, estando dichos captadores capacitados no sólo, para abastecer la demanda energética de dicho edificio o edificios (2) , sino, también, para acumular la energía sobrante y disponer de ella a la hora de mayor demanda, o para venderla a la red, contando para ellos con la conexión de dichos captadores (6,7) a los elementos convencionalmente necesarios para ello así como a un sistema de control informat izado .

Es importante destacar, además, que, cuando la estructura abarca uno o mas de un edificio (2), constituye un refuerzo estructural que dota al conjunto de mayor estabilidad y propiedades antisísmicas.

Los captadores solares (6) se integran en los marcos cuadrados que forman la base superior de la estructura (1), estando amarrados a sus lados articuladamente mediante bisagras (8) y cerrojos, de manera que forman un techo solar practicable, habiéndose previsto sobre los nudos de la base inferior una pata articulada que sirve de apoyo a los captadores solares .

Por su parte, los nudos (5) de la estructura (1) sirven de apoyo y soporte pivotante de las góndolas (9) de los captadores eólicos (7), las cuales, teniendo forma de tubo acodado a modo de boomerang, integran en su extremo inferior el generador (10) y el rotor de la turbina (11) que gira describiendo un plano cuyo centro de rotación está en eje de orientación sobre el que pivota ayudado por un timón (12) , eliminándose así los momentos giroscópicos .

Cabe destacar, además, que dicha turbina (11) será preferentemente una microturbina y que los captadores eólicos (7) están dispuestos, preferentemente, ocupando alternativamente los espacios huecos de la estructura espacial (1) situándose entre la cubierta del edificio (2) y la base superior de la estructura (1) .

Asimismo, cuando interese, los captadores eólicos (7) podrán estar situados fuera de la estructura (1) montándose sobre los nudos (5) de la base superior, adecuadamente distribuidos sobre su base superior, alternando sus espacios con el techo solar, o sobre los voladizos, para priorizar la captación eólica sobre la solar.

Por otra parte, cabe señalar que los tubos inclinados o travesaños (13) que unen las bases superior e inferior de la estructura (1) se dimensionan en número, además de para soportar las cargas estructurales que han de soportar, para que el viento provoque la menor estela posible al, pasar entre ellos, en orden a mejorar el comportamiento aerodinámico en las turbinas (7) .

Asimismo, cabe señalar que dichos travesaños (13) y, especialmente los tubos conformantes de la base inferior de la estructura serán, preferentemente, de sección cuadrangular para facilitar el desplazamiento sobre ellos del personal al acceder a los captadores solares (6) y eólicos (7) en las labores de reparación y/o mantenimiento.

Por último es importante destacar que, preferentemente, la separación entre los nudos (5) que forman parte de la base inferior de la estructura (1) condiciona la separación existente o que se dé a las columnas (4) que forman la estructura del edificio (2) , sobre las cuales se fija, abarca y arma la estructura, de tal manera que dicha separación deberá ser múltiplos enteros de la separación entre nudos (5) de la estructura (1), resultando un "todo estructural".

Atendiendo a la figura 1, se observa como la estructura (1) preconizada, en ejemplo concreto de realización de la invención, se instala de forma que cubre y abarca dos edificios (2) contiguos de cuatro plantas de altura, cuya zona intermedia se aprovecha para ubicar las escaleras comunes (3) que dan acceso a cada planta. Las columnas (4) de ambos edificios (2) son equidistantes, guardando tres distancias entre nudos (5) de la estructura (1) .

En la base superior de la estructura (1) se ubican los captadores fotovoltaicos (6) que quedan ocultos por las barras de la estructura espacial. De los nudos (5) superiores y alternativamente, ocupando los espacios huecos entre barras de la estructura se ubican las turbinas eólicas (7) , a razón de cuatro filas de cuatro turbinas sobre cada edificio (2) que totalizarán 32 turbinas en toda la estructura.

En este ejemplo concreto, la separación entre columnas (4) del edificio (2) será de 7m, teniendo cada uno de los edificios cuatro plantas de 196 m ² , que albergarán dos viviendas de 98 m ² , por planta. El conjunto tendrá 8 + 8 = 16 viviendas de 98 m ² . La estructura (1) volará por cada lado del edificio 4,66 m, equivalente a dos tetraedros invertidos, teniendo una superficie total de 44,32 x 23,32 = 1033,5 m ² , donde se instalará los captadores solares (6) , cuyos paneles ocuparán el 80% del total, lo que supone a razón de 130 Watios/ m ² , una potencia solar instalada de 1033,5 x 0,8 x 130 = 107.484 atios. Si la edificación se sitúa en una zona del planeta situada entre trópicos consideramos un potencial de 1300 horas equivalentes, la energía anual captada por el techo solar sería:

1300 x 107,484 = 139,729 k h.

El diámetro del rotor (11) capaz de girar dentro del volumen ocupado por los huecos de esta estructura (1) será de 2,2 m. Este rotor trabajando a λ = 4.5, girará a 508 rpm, cuando el viento incidente sea de 13 m/s, accionando un generador (10) de imanes permanentes que daría en estas condiciones una potencia instantánea de:

W= 0,21x D ² xV ³ = 2.233 Watios = 2,2 kW

Siendo D= diámetro de rotor en m

V= velocidad del viento en m/ s

Considerando un emplazamiento de regular potencial eólico con 1200 horas equivalentes, las 32 turbinas eólicas (7) producirán una energía anual de:

32x2,2x1200 = 84.480 kWh./año

Resumiendo la estructura energética que abarque dos edificios como el ejemplo tiene:

Superficie total 1.033,5 m ²

Potencia Instalada Solar 107 kW.

Potencia Instalada Eólica 70 kW. Potencia Instalada Total 177 kW. Energía captada solar .. 139.729 kWh./año

Energía captada eólica 84.480 kWh./año

Energía captada (solar+eólica) 224.209 kWh./año

Ratio Energía/Superficie 217 kWh/ m ² y año

Una vez justificada la energía anual disponible vamos a compararla con la demanda del edificio para así evaluar el balance energético.

En cualquier caso se tratará de viviendas ejecutadas bajo el Código Técnico de la Edificación, aplicando los mejores criterios en materia de calidad y eficiencia energética. Todos los aislamientos en suelo, cubierta, paredes y ventanas serán de máxima eficiencia así como los consumidores (frigoríficos, lavadoras, iluminación, televisión, microondas, plancha, etc) . La cocina, horno y caldera para calefacción y el agua caliente sanitaria funcionarán con gas.

Así el edificio dispondrá de:

Consumidores Horas/dia kWh kWh /año

/día

Frigorífico Combi clase A de 155W 24 0, 95 346

Lavadora clase A de 2.300W 1 0,9 327

6 bombillas de bajo consumo de 15W 3 0,27 98.55

Televisor Led de 100 W 4 0,4 146

Microondas de 800 W 0.3 0, 24 87.4

Plancha de 2000 W 1 2 730

Consumo Total por vivienda 4.76 1.734, 95 Como se trata de 16 viviendas, el consumo anual total de las viviendas será de 1736 xl6 = 62.496 kWh . /año . Para la iluminación de las zonas exteriores a los edificios se dispondrá de seis luminarias de 60 Watios que funcionarán una media de 12 h/día totalizando :

6x60x12x365/1000 = 1.577 kWh./año

Consumo Total = consumo viviendas + consumo zonas comunes = 62.496+1.577 = 64.073 KWh./año Por tanto si la energía disponible asciende a

179.637 kWh./año y la energía consumida asciende a 64.073 kWh./año, la energía a exportar será 115.294 kWh . /año Esto representa un balance energético muy positivo pudiendo exportar la energía sobrante.

En el caso de vender ésta a red a un precio de 0,3€/kWh en horas punta vespertinas, generarían unos ingresos anuales de: 115.294 x 0,3 = 34.588,2 € que se destinarían a financiar las inversiones.

Si el ejemplo utilizado se hubiese correspondido con el elemento representado en la figura 2 al resultado anteriormente expresado habría que aumentar un 68% más, ya que, como se observa en dicha figura 2, el ejemplo representado en ella consiste en una estructura (1) que abarca dos edificios (2) de iguales características a los del ejemplo de la figura 1, pero en este caso enfrentados y separados por una vía transitada, y en la que las dimensiones de la estructura con respecto al número de viviendas de los edificios es muy superior (28 vanos en lugar de 19) lo que supone un 68% más, sobre el ejemplo anterior, de superficie energética. Fuera del volumen de la estructura, encima de su base superior se han dispuesto 7 filas de turbinas eólicas. Esta alternativa será la más adecuada cuando se busque conseguir ciudades sostenibles .

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, asi como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a titulo de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.