INTEGRADA EN LA CUBIERTA DE PRODUCCIÓN Y POTENCIA

OPTIMIZADOS

D E S C R I P C I O N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una nave industrial con central solar fotovoltaica integrada en la cubierta de producción y potencia optimizados, aportando a la función a que se destina notables ventajas y características de novedad, que se describirán en detalle más adelante, que suponen un avance importante del estado de la técnica actual.

Más en particular, objeto de la invención se centra en una nave industrial en cuya cubierta incorpora integrada una central para la obtención de energía solar de paneles fotovoltaicos que tiene una producción y potencia optimizados gracias a la aplicación de un método de cálculo mediante el cual, en cada caso, se consigue el óptimo rendimiento de generación de recursos por unidad de superficie, y en que, al mismo tiempo, dicha nave mantiene las mismas prestaciones que una nave convencional, sin suponer en ningún caso un impedimento al desarrollo de las actividades normales que se desarrollen en ella ni un sobrecoste en su construcción, considerando además la ergonomía de trabajo sobre la cubierta, para que su manejo no entrañe riesgos ni complicaciones físicas.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector técnico de la construcción, en particular en el concerniente a la construcción de naves industriales de estructura metálica, combinado con el sector de la energía solar fotovolta ica .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los polígonos industriales, generalmente, la cubierta de los edificios tipo nave de estructura metálica, suele ser un espacio ocioso sin ningún aprovechamiento. Por otro lado, dichos polígonos industriales son grandes consumidores de energía eléctrica neta, y las producciones in situ de dicha energía tienen un aprovechamiento directo.

Es pues, el objetivo de la presente invención aprovechar dichas premisas para optimizar el diseño de naves industríales integrando en ellas una central solar que permita aprovechar al máximo su rendimiento, a la vez que se crea una doble fuente de ingresos para el promotor de la misma, por un lado los ingresos inherentes a la actividad que se desarrollaría en la nave, y por otro la producción de energía eléctrica solar fotovoltaica que se pueda vender a la red de distribución, y además evitando la contaminación inherente al consumo energético del equivalente de energía eléctrica suministrada, si su abastecimiento fuera convencional.

Cabe señalar, por otra parte, como referencia al estado de la técnica, que por parte del solicitante se desconoce la existencia de ninguna otra invención que presente unas características técnicas, estructurales y constitutivas semejantes a las que presenta la que aquí se preconiza.

En este sentido hay que mencionar que, si bien actualmente no existe en el mercado ningún producto como el propuesto, si existen centrales solares sobre cubiertas de naves industriales, las cuales, sin embargo, son centrales que se montan sobre naves ya existentes, con diseño convencional a dos aguas en la inmensa mayoría, y sin intención inicial al ser proyectadas para el uso fotovoltaico .

Asimismo las instalaciones auxiliares tampoco se tienen en cuenta en su conjunto en este tipo de proyectos, simplemente porque estas naves no están preparadas .

Las centrales que se montan sobre cubierta de naves, al no estar estas diseñadas como se ha descrito anteriormente, tampoco ofrecen el rendimiento óptimo que se alcanza con el procedimiento propuesto, pudiendo ser la diferencia de potencia instalada fotovoltaica por metro de nave superior a un 25% respecto a los productos convencionales.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Así, la nave industrial con central solar fotovoltaica integrada en la cubierta de producción y potencia optimizados que la presente invención propone se configura por sí misma como una destacable novedad dentro de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su implementación y de forma taxativa, se alcanzan satisfactoriamente los objetivos anteriormente señalados, estando los detalles caracterizadores que la distinguen, convenientemente desarrollados a continuación y recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente memoria descript iva .

De manera concreta lo que la invención preconiza es una nave industrial en cuya cubierta se integra una central solar fotovoltaica la producción y potencia de la cual están optimizados a partir de la aplicación de dos innovaciones básicas:

Por una parte un método de cálculo de la radiación solar incidente y de la temperatura, basado en nuevas técnicas que se explicarán en detalle más adelante, y, por otra parte, un diseño estructural de la nave que conjuga el coste con la implementación de la central, de forma que se alcance una óptima rentabilidad económica, el cual se consigue mediante una metodología de cálculo también innovadora que optimiza la función no lineal formada por los parámetros de forma de la nave y de la inclinación de la placas solares.

Así, eí modelo de nave industrial-central solar a diseñar y construir se centrará, básicamente, en definir la inclinación de la cubierta de la nave y la inclinación y separación que las placas solares han de presentar sobre dicha cubierta.

Paralelamente, respecto al mantenimiento de la central solar, el diseño de la pendiente de la cubierta, La separación de las filas de placas y las instalaciones anexas previstas, permiten trabajar con seguridad y ergonomía, permitiendo al propietario ocuparse personalmente o mediante terceros de estas operaciones .

Para la consecución de todo ello, y de forma concreta, la nave industrial en cuestión se dispone orientada al Sur, con pendiente de la cubierta a un agua orientada en la dirección del sol. La altura de la nave, por condicionantes de tipo estructural, debe ser, siempre que sea posible, menor a 12 metros, para evitar fenómenos de pandeo elevados, si bien pueden estudiarse alturas mayores si el grado de pendiente de la cubierta no es el adecuado.

La altura de la misma se recomienda no sea superior a 12 metros, salvo que la pendiente de la cubierta resultante no se acerque al óptimo, que se definirá más adelante.

La pendiente de la cubierta de la nave según los estudios de optimización y de ergonomía citados en el apartado de antecedentes, debe ser de 8 ^' 53°. La separación entre filas de placas con las mismas premisas debe ser de 65 cm. Con estas premisas queda también definido el ángulo que forman las placas solares con la cubierta de la nave y con la horizontal. Este ángulo se calcula para que sea el óptimo de funcionamiento de producción de electricidad por unidad de superficie, siendo dichos ángulos (el de la pendiente de la cubierta y el de las placas con ella) la base fundamental del diseño de la nave objeto de la invención .

La producción de energía por parte de una placa solar a lo largo de un año, depende de la inclinación o ángulo que tenga respecto de la horizontal siempre que su orientación sea hacia el sur, y depende de la latitud en la que se encuentre instalada .

Este ángulo ideal no es el óptimo si tenemos en consideración su ubicación en una cubierta de nave industrial, ya que estamos buscando un diseño que favorezca esta inclinación, pero que al mismo tiempo no encarezca el coste de construcción de la nave, y la producción de electricidad por unidad de superficie de la nave sea el máximo, ya que la función que se optimiza es la de capacidad de generación de ingresos (venta de electricidad solar fotovoltaica) . Por tanto el ángulo óptimo de inclinación de las placas respecto de la cubierta y de la horizontal se acercará al ideal, pero no será el mismo, y dependerá de la situación y de las características de la cubierta de la nave.

Para conseguir lo anteriormente expuesto, y de forma resumida, el procedimiento o metodología seguidos para conseguir la optimización de la nave- central solar consiste en:

- Fijar los condicionantes geométricos de la nave según el lugar donde se ubica, que tendrá diferentes situaciones de radiación, temperatura y ángulo de incidencia del sol, y de índole ergonómico y económico. Lo ideal es una nave a un agua, con un 12% de pendiente, y lo más rectangular posible considerando su uso, con su lado más largo orientado al sur. Una solución intermedia entre uso normal de una actividad y captación solar de la nave biosolar, sería una estructura rectangular de lados A y B, de tal forma que,

A = 0,618*B (relación aúrea) - Una vez definida la forma de la nave, con cada panel se estudia la geometría sobre la nave y las inclinaciones del panel sobre esta, teniendo en cuenta el rendimiento en la generación de recursos económicos de cada configuración, y cada potencia, obteniendo una configuración óptima para un estado del mercado determinado. La curva gue sigue la función matemática gue describe el. rendimiento R en la generación de recursos, esto es los beneficios originados contando con la capacidad de financiar el proyecto completo de nave+cent al solar, para el período garantizado por los fabricantes (generalmente 25 años), frente al ángulo A de inclinación de las placas, sigue dos ecuaciones según la configuración de la forma de la nave:

R = a-b*A para un Modelo lineal R -- a+b*A-c*A2 para un Modelo cuadrático Estas ecuaciones se han deducido experimentalmente, produciendo puntos de la curva y realizando con ellos una regresión. La geometría rectangular, con el lado de la pendiente como el mayor, sigue el modelo lineal, y la geometría con el lado de la pendiente, menor, sigue el modelo cuadrático. Cuando existe un espacio concreto de cubierta y una potencia limite, correspondiente por ejemplo a la concedida por la compañía suministradora, el óptimo adopta normalmente la forma cuadrática.

Atendiendo a los mismos criterios de ergonomía, la distancia entre filas de placas no debe ser menor a 65 cm, y al mismo tiempo las sombras deben permitir insolación de cuatro horas en el peor día del año, esto es el solsticio de invierno. Del óptimo entre rendimiento y la disposición de placas con los criterios anunciados, debe diseñarse la configuración ideal de placas sobre la cubierta. tíl ángulo óptimo dependerá de cada situación, siendo necesario realizar un estudio para cada caso, y construir La curva que definirá el óptimo, ya que puede cambiar el modelo de curva que define el óptimo rendimiento . Las naves así definidas, suponen una innovación por su compensación energética mediante paneles solares fotovoltaicos , contribuyendo a presentar una imagen real de desarrollo sostenible y respeto por el medio ambiente. Las actividades que en un futuro se establezcan en estos edificios, presentarán frente al público una imagen de marca verde muy beneficiosa, que además de suponer una posible estrategia de mercadotecnia basada en el respeto al medio ambiente, supondrá un ahorro en costes de energía muy importante, y una interesante fuente de ingresos garantizada .

La metodología expuesta permite con gran precisión determinar las variables geofísicas que intervienen en la producción y pérdida de energía, así como el diseño óptimo posterior del conjunto nave- central solar.

La tipología de nave más eficiente tendría su lado menor orientado con las filas de placas, con una pendiente del 33,55% (18,55°), una separación entre filas de placas de 65 era, y una inclinación media de placas en Andalucía de 33°. El inconveniente de este diseño óptimo es que todos los pasillos de servicio tendrían que estar peldañeados, y que en muchas naves este diseño no se puede ejecutar por problemas estructurales de pandeo y normativas de altura máxima.

En contraposición, un diseño que conjuga ergonomia y economía de diseño estructural, tendría una pendiente del 12%, y una inclinación de placas de 15' 4 ^o insistiendo en que cada caso hay que estudiarlo según la metodología expuesta.

La descrita nave industrial con central solar f ot ovoltaica integrada en la cubierta de producción y potencia optimizados representa, pues, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para tal fin, 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 esquematizada en alzado lateral de una nave industrial en la que se muestra gráficamente la aplicación de la función de cálculo en base a los parámetros de su forma e inclinación de las placas para optimizar su rentabilidad económica.

La figura número 2.- Muestra una vista esquematizada en alzado lateral, similar a la anterior, en la que se han señalado los ángulos de la cubierta y de las placas, cuya suma da como resultado la inclinación de los paneles respecto al plano horizontal, mostrados en la tabla 1.

La figura número 3.- Muestra un gráfico de los ángulos óptimos entre cubierta-placa solar, en la que se conjugan el ángulo en grados y la latitud de posicionado de la nave, siendo la linea de trazo continuo la correspondiente a la variación de ángulos de las placas respecto a la cubierta y la lineas de trazo discontinuo la correspondiente al ángulo de la cubierta .

La figura número 4.- Muestra un diagrama de flujos que representa las fases de metodología para la obtención del diseño óptimo de la nave. La figura número 5.- Muestra una vista en planta de la cubierta de una nave, según la invención, apreciándose en ella la disposición de las placas solares y los elementos auxiliares que incorpora. La figura número 6.- Es un detalle en sección de la disposición de las placas respecto a la cubierta.

La figura número 7.- Muestra un detalle de la trampilla de acceso a la cubierta.

La figura número 8.- Muestra un detalle de la canaleta para cableado.

La figura número 9.- Muestra un detalle de una de las tomas de agua para la limpieza de los paneles . Las figuras numero 10 y 11.- Muestran sendas vistas en planta y alzado lateral de un ejemplo de estructura para naves de dimensiones inferiores a 20 por 30 metros.

La figura número 12.- Muestra una vista en sección de la estructura de la cubierta para el tipo de naves mostradas en las figuras 10 y 11.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras y de acuerdo con la numeración adoptada en ellas, se puede observar como la nave industrial (1) en cuestión es una estructura metálica (2) sobre cuya cubierta (3) se integra una central capacitada para el aprovechamiento de la energía solar que está compuesta por una pluralidad de paneles (4) fotovoltaicos , presentando la particularidad de que el ángulo de inclinación (β) de dicha cubierta (3) y el ángulo de inclinación (a) de dichos paneles (4) son, en cada caso, los adecuados para que la producción y potencia de dicha energía estén optimizadas, en función de la latitud en que se encuentra ubicada la nave.

Así, la citada cubierta (3) es una cubierta con pendiente a un agua, la cual se dispone orientada en la dirección del sol, incorporándose sobre ella los citados paneles (4) dispuestos en filas (5) paralelas e inclinados con la misma orientación.

La altura de la nave, por condicionantes de tipo estructural, debe ser siempre que sea posible menor a 12 metros, para evitar fenómenos de pandeo elevados, si bien pueden estudiarse alturas mayores si el grado de pendiente de la cubierta no es el adecuado.

Como se observa en la figura 1, en la que se aprecia la función de cálculo en base a los parámetros de la forma e inclinación de la nave y de las placas para optimizar su rentabilidad económica, y que se define como Opt = 5f (a, b, c, DI, D2) , la altura Di y D2 se recomienda que no sea superior a 12 metros, salvo que la pendiente de la cubierta resultante no se acerque al óptimo.

La pendiente o ángulo β de la cubierta (3) de la nave, por su parte, debe ser de 8 '53°. La separación o distancia (6) entre filas (5) de placas o paneles (4) con las mismas premisas debe ser de 65 cm. Con estas premisas queda también definido el ángulo que forman los paneles (4) con la cubierta (3) de la nave y con la horizontal. Este ángulo α se calcula para que sea el óptimo de funcionamiento de producción de electricidad por unidad de superficie, siendo dichos ángulos la base fundamental del diseño de la nave objeto de la invención .

La producción de energía por parte de una placa solar a lo largo de un año, depende de la inclinación o ángulo que tenga respecto de la horizontal siempre que su orientación sea hacia el sur, y depende de la latitud en la que se encuentre instalada .

Este ángulo ideal no es el óptimo si tenemos en consideración su ubicación en una cubierta de nave industrial, ya que estamos buscando un diseño que favorezca esta inclinación, pero que al mismo tiempo no encarezca el coste de construcción de la nave, y la producción de electricidad por unidad de superficie de la nave sea eL máximo, ya que la función que se optimiza es la de capacidad de generación de ingresos (venta de electricidad solar fotovoltaica) . Por tanto el ángulo óptimo de inclinación de las placas respecto de la cubierta y de la horizontal se acercará al ideal, pero no será el mismo, y dependerá de la situación y de las características de la cubierta de la nave.

La nave, como se ha dicho, irá orientada al sol (hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en eL hemisferio sur), con un solo agua orientado en esa dirección para captar la insolación, con una pendiente que será función de la latitud. Sobre la cubierta se disponen en filas paralelas separadas 65 cm, la central solar fotovoltaica, cuyas placas o módulos que la componen, tendrán una inclinación óptima sobre la cubierta, que se proporciona por una estructura a tal efecto, según la siguiente tabla 1 y la figura ?..

LATITUD Resultado Ang-Placa Ang-cubierta

Norte/Sur

Grados sex. Grados sex. Grados sex. Grados sex.

60 13,25 4, 72 8, 53

55 15, 32 6, 79 8, 53

50 17,01 8, 48 8, 53

45 19,21 10, 68 8, 53

40 21, 07 12, 54 8, 53

39 21,56 13, 03 8, 53

38 22, 05 13, 52 8, 53

37 22, 05 13, 52 8, 53

36 22, 54 14, 01 8,53

35 23, 05 14, 52 8, 53

34 23,57 15, 04 8, 53

33 24,09 15, 56 8, 53 2 24, 63 16, 10 8, 53

29 25, 74 17, 21 8, 53

25 24,00 15, 47 8, 53

20 20, 00 11,47 8, 53

15 15,00 6, 47 8, 53

10 15, 00 6, 47 8, 53

11,00 2, 47 8, 53

0 1, 00 0, 00 1, 00

Tabla 1., relación de ángulos en grados de la cubierta y de los paneles . Asimismo, la nave (1) incorpora las siguientes instalaciones auxiliares:

Un pasillo de servicio (7) de 1 metro de ancho, para facilitar las labores de mantenimiento y limpieza.

Una trampilla de acceso (8) a la cubierta (3), para hacer visitable la cubierta, la cual dispondrá de elevadores o brazos hidráulicos (9) para evitar esfuerzos, y formas suaves para facilitar la evacuación de agua, tal como muestra la figura 7.

Una canaleta de cableado (10), con sifón (11) y pantalla (12) en color claro, para encauzar los cables de corriente continua y disipar calor, la cual será estanca a la humedad hacia el interior de la nave (1) (figura 8) .

Una arqueta de puesta a tierra (no representada) con tres salidas, una salida con pica de tierra para conectar el inversor y cuadro de CC, otra para las masas metálicas de la central solar, y otra para el cuadro de CA. Una red de tomas de agua (13) , tal como la mostrada en la figura 9, con caja elevada (14) para evitar humedades, destinadas para la limpieza de los paneles ( 4 ) .

Una barandilla (15) de seguridad en el perímetro de la cubierta (3), preferentemente de 90 cm de altura y tres líneas de vida. Es importante destacar que el color de la cubierta (3) siempre será blanco o muy claro, para aumentar la reflexión y disminuir la temperatura (hasta

15° de diferencia) Tal como se observa en la figura 12, para naves tipo, en las que la anchura no supere los 20 metros, y la longitud 30 metros, se preferirá un diseño especifico de la estructura (2) de la nave (1), en la que, las jácenas (16) irán reviradas para usarse como correas (17), y la disposición y tipología de los perfiles que conforman dicha estructura, tal como muestran las figuras 10 y 11, será de tipo mecano conformada mediante correas (17) CF, dinteles (18) IPE, jácenas (16) IPN, tirantes (19) de 16 mm de diámetro, arriostramientos (20) IPN y pilares (21) IPE.

Para naves que necesiten celosías, se seguirá el criterio de mantener la pendiente fijada según latitud y como aparece en la siguiente tabla 1.

La central solar se diseñará con placas dispuestas en filas paralelas, separadas entre sí a una distancia de 65 cm, y formando un ángulo con la cubierta según la latitud, fijado en la tabla 1 (citada en el apartado anterior), con la forma de la figura 2. Así, pues, el conjunto definido de nave industrial-central solar fotovoltaica, según la invención, seguirá una serie de pasos, reflejados en el diagrama de flujos que muestra la figura 4, en la que el primer bloque (100) representa la geometría de la nave, la capacidad fijada o potencial y la superficie disponible, el segundo bloque (200) representa la pendiente de la nave, la inclinación de las placas y el tipo de placas, el tercer bloque (300) representa la determinación de producción, rendimientos en generación de recursos del sistema e inversión en dicho sistema, el cuarto bloque (400) representa la generación de la curva de rendimiento-geometría, y el quinto bloque (500) representa el diseño óptimo, pudiendo resumirse en las .siguientes etapas de construcción:

- Determinación de la latitud, y dimensiones necesarias de la nave para cumplir su función. La cubierta irá a un agua, sentido Sur (para el hemisferio norte) , con el ángulo definido en la tabla 1 o su desarrollo continuo mostrado en el gráfico de la figura 3, con el alzado tipo que representa la figura 2.

Las dimensiones de la nave vendrán impuestas, con lo que la altura se aconseja no sea superior a 12 metros, ni inferior a 5 m, siempre que se respete el ángulo de cubierta definido en la tabla 1.

- Determinación del ángulo que deben formar las placas solares con la cubierta.

Se tomará en función de la latitud, la inclinación fijada en la tabla 1, y disposición según figura 2.

Estas son las características que hacen especialmente singular la nave preconizada, y provienen de optimizar la función siguiente:

F (X/S) = / D1/D2 A (tan δ + tan β) * eos β), T/P)

Siendo ;

X= Generación de ingresos por superficie

DI y D2 = Altura superior e inferior de la nave

L y H = Longitud y anchura de la nave

A = Longitud de la placa solar

δ = Angulo de incidencia del sol dos horas antes de L mediodía del solsticio de invierno

β = Angulo de inclinación de la cubierta de la nave industrial

T = Tarifa eléctrica aplicable de venta a la red

P = Coste de la nave industrial

S = Coste de la central solar

Las siguientes fases son:

- Diseño de pasillo, barandilla perimetral de seguridad, tomas de agua para la limpieza de la central solar y de la trampilla de acceso.

Diseño de la canaleta de cableado de corriente continua, con sifón previo para evitar humedades y cubierta para reducir temperatura.

Arqueta de puesta a tierra con tres salidas, una salida con pica de tierra para conectar el inversor y cuadro de CC, otra para las masas metálicas de la central solar, y otra para el cuadro de CA. Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no s e 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 título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.