OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es conseguir una estructura dotada de seguimiento solar a dos ejes, que permita un mayor aprovechamiento tanto de la energía solar como del suelo disponible, al permitir ejecutar máquinas de gran potencia unitaria, de reducida altura en relación a su tamaño, que minimicen los espacios ocupados por las sombras arrojadas, aumentando la densidad de potencia (MW / ha), a la vez que permita otros usos simultáneos del suelo.

Su diseño permite ejecutar grandes estructuras de reducida sección transversal al viento, que minimizan las fuerzas de arrastre, así como el impacto visual.

CAMPO DE APLICACIÓN

El campo de aplicación de la presente invención son, tanto las instalaciones de autoconsumo conectadas a red que en la legislación actual española, permiten hasta potencias de 100 kW con balance neto mensual, como aplicaciones para bombeo solar directo en instalaciones aisladas de la red que utilicen bombas de desplazamiento positivo, así como por su óptima relación de potencia / superficie ocupada, la implantación de grandes parques fotovoltaicos o/y la repotenciación de parques fotovoltaicos existentes, así como instalaciones singulares, por ejemplo, las aplicadas la recarga de vehículos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El mercado ofrece diferentes diseños de seguidores con seguimiento a dos ejes. En todos estos sistemas de seguimiento las estructuras giratorias se construyen sobre el aro móvil de un rodamiento dentado y motorizado. La orientación acimutal que representa el 75% de la ganancia para emplazamientos ubicados entre los paralelos 30° / 60°, se basan en mecanismos de engranajes, corona de rodamiento, piñón, reductor accionados por un motor con freno, mecanismos que, para mantener la orientación, deben aguantar el empuje y pares de torsión provocados por la acción del viento sobre la parrilla porta - paneles, que generan roturas mecánicas en el tren de potencia debidas a la irreversibilidad del motor con freno.

Por otra parte, los seguidores a dos ejes existentes en el mercado consiguen su enfoque cenital basculando toda la parrilla porta - paneles en ángulos que abarcan entre los 30° a 70°, lo que supone gran exposición al viento y sombras arrojadas muy alargadas, lo que implica espaciar los seguidores, utilizando grandes extensiones de terreno.

Así pues, la presente solicitud de invención encuentra la solución a los problemas planteados, por una parte, sustituyendo los motoreductores con freno para su orientación acimutal por sistemas de giro y frenado por fricción, y por otra, disponiendo la orientación cenital de las filas de paneles, de forma individual a modo de “lamas de persiana”, sobre una parrilla de pendiente fija (7 ^o ), en lugar de bascular toda la parrilla.

Cabe señalar que el peticionario es el inventor de las patentes n° ES 2 253 099 A1 y n° 200602516, desconociendo la existencia de otras patentes o máquinas que presenten características constructivas semejantes a esta.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Un seguidor solar está diseñado para conseguir el enfoque de los captadores solares para aumentar su producción. La Tierra se mueve con respecto al Sol a una velocidad media de 15° por hora, es decir, habrá que esperar 12 minutos para mover 3 ^o . Por su parte, los captadores solares requieren de una precisión de +/- 6 ^o a partir de los cuales comienzan a perder rendimiento. Por tanto, la estructura de un seguidor debe corregir su enfoque acimutal a intervalos de menos de 6 ^o . Como para pequeños ángulos y radios grandes, la longitud del arco es similar a la cuerda, para giros de 3 ^o en un radio de 0,75 m, el desplazamiento del actuador lineal será:

Are. tg 3 ^o = i / 0.75; i = 0.039 m Es decir, la carrera del actuador encargado de girar los 3 ^o será de 39 mm, actuación que se producirá a intervalos de unos 12 minutos. Se trata pues de una máquina que permanece orientada y frenada la mayor parte del tiempo.

El seguimiento acimutal representa la mayor parte de la ganancia (75%) para las instalaciones en latitudes próximas al paralelo 40°

Para orientar el seguidor acimutalmente utilizaremos la fuerza de fricción generada por dos o más pinzas de freno sobre un disco fijo, integradas sobre la carcasa móvil de un actuador lineal de vástago pasante, solidario por sus extremos a la parte giratoria. Cada pinza dispone de dos pastillas de freno yuxtapuestas, que amordazan al disco por ambas caras.

Las pinzas funcionarán alternativa y sincronizadamente a modo de “tiro de soga”. El seguidor siempre estará frenado por al menos una pinza, ya que su objetivo es mantener la posición, mientras alternativamente la o las otras se desplazan a ocupar la nueva posición. Mientras dure este desplazamiento, la pinza de freno estará abierta y no ejercerá presión sobre el disco fijo solidario a la columna. Una vez llegue a la nueva posición, la pinza se cerrará y el actuador se bloqueará sujetando así la posición del seguidor.

Para girar (3 ^o ), todos los actuadores a la vez se desplazarán 0,039 m, aprovechando la fuerza de arrastre generada por la fricción de las pinzas sobre el disco fijo solidario a la columna.

Se trata pues de pinzas de freno negativas, es decir normalmente pinzadas por la acción de un muelle antagonista. Para abrir la pinza, será necesario ejercer una fuerza superior a la del muelle a través de una presión hidráulica o un electroimán.

Por otra parte, al tratarse de una estructura de gran dimensión (unos 800 m2) montada sobre una columna monoposte, interesará que tanto el peso propio como los momentos generados por el empuje del viento sobre el rodamiento de giro acimutal sean mínimos, ya que este rodamiento soportará toda la estructura giratoria. Por tratarse de una estructura con pesos equilibrados respecto a su centro de giro, el momento sobre el rodamiento será función del producto:

Mto = Empuje del viento x brazo de aplicación

Nuestro diseño reduce el empuje del viento al ofrecer un perfil de sección transversal mínimo, al llevar los paneles acostados, agrupados en filas sobre un plano inclinado con ángulo fijo (7 ^o ). A su vez reduce el brazo de aplicación del empuje, al situar el rodamiento en el punto más alto del cubo invertido, próximo al centro de empuje de la parrilla giratoria.

Como consecuencia de lo explicado, el punto de aplicación de la fuerza de arrastre del viento sobre la estructura giratoria se situará a 0,9 m por encima del rodamiento, resultando un brazo muy corto lo que garantiza la estabilidad del conjunto. Estas características se consiguen gracias al diseño de un cubo invertido que envuelve a la columna, de forma que los brazos parten de cotas inferiores a la del rodamiento.

El cubo invertido tendrá forma de prisma octogonal, de cuyas caras partirán ocho brazos, a modo de radios, con diferente inclinación, cuyo conjunto forma la base de la estructura giratoria. Sobre los extremos de los ocho brazos se asentará una superficie plana formada por los tres largueros donde se ubicarán, sobre apoyos rotulados, a modo de “lamas de persiana”, las filas de paneles a una distancia entre ellas variable para reducir sombras entre filas, en función del paralelo de ubicación del campo fotovoltaico que, en definitiva, condicionará los ángulos de la trayectoria solar. Al conjunto de filas de paneles lo denominaremos parrilla.

Las longitudes de las filas de paneles se distribuirán en largos diferentes al objeto de buscar un contorno de forma elíptica, reduciendo la longitud del eje norte / sur, y alargando la del eje este / oeste, al objeto de minimizar las sombras arrojadas, logrando una mayor densidad de potencia del parque fotovoltaico. Otras formas de contorno (circular, rectangular, etc) podrán conseguirse si se desean.

Por ejemplo, para una distancia entre filas de paneles de como mínimo 1 ,33 veces la anchura del panel, con un ángulo fijo de panilla de 7 ^o , conseguiríamos una ganancia energética anual de hasta 39% sobre un panel fijo. Si utilizáramos el panel TRINA VERTEX 550 vatios de 2,4x 1 ,1 m, integraremos en una parrilla de forma elíptica 200 paneles con separación entre filas 1.47 m, totalizando 18 filas que alcanzarán 110 kWp, proporcionando una ganancia para la latitud 40° de +39% (PV-GIS) sobre un panel instalado en estructura fija.

Así pues, el nuevo seguidor monoposte a dos ejes representa una estructura innovadora de características constructivas desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento 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, que con carácter interpretativo y no limitativo se representa lo siguiente:

La figura n° 1 muestra una vista en planta de la estructura del seguidor según la invención, en la que se aprecia el cubo invertido (1 ) del que parten radialmente ocho brazos (2) a diferente inclinación, sobre los que se apoyan los tres largueros (3) que forman el plano inclinado sobre el que se fijan espaciadamente las filas (4) de los captadores solares (11 ) sobre apoyos con rótula (12)

La figura n° 2 muestra una vista de perfil del seguidor en el que se aprecia el conjunto estructural sobre la columna (5) mostrando el disco de freno (8) y los brazos (2) a diferente inclinación, que partiendo radialmente del cubo invertido (1 ) soportan los largueros (3) que forman el plano inclinado sobre el que se fijan sobre rótulas (12) las filas de paneles (4) a modo de “lamas de persiana” orientadas sincronizadamente por mecanismo biela-manivela (13) accionados por actuadores (10).

La figura n° 3 muestra sección y perfil del detalle de montaje del cubo invertido (1 ) sobre el aro móvil del rodamiento (7) ubicado en la parte superior de la columna (5) abrazada por el disco (8) sobre el que actúan las dos o más pinzas de freno negativas (9) integradas en la carcasa de dos o más actuadores lineales (10) que provocan tanto el giro acimutal como el mantenimiento de la posición.

La figura n° 4 representa detalle del accionamiento cenital de las filas (4) de los captadores solares (11 ) en el que se puede apreciar el apoyo con rótula (12) sobre los largueros (3) que forman el plano inclinado. Las filas (4) de los captadores solares (11 ) son accionados al unísono mediante actuadores lineales (10) a través de un mecanismo de biela / manivela (13).

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras y de acuerdo con la numeración adoptada, se observa un modelo de realización preferente del seguidor solar monoposte a dos ejes de una potencia próxima a 110 kWp.

Como punto de partida seleccionamos un panel de rendimiento de al menos un 20%, ya que de esta manera necesitaremos ocupar menos superficie para conseguir dicha potencia. El panel seleccionado es del modelo Vertex 550 de dimensiones 2.380 x 1100 x 40 de potencia unitaria 550 vatios.

El número de paneles será par y por tanto divisible en series que no superen la tensión en circuito abierto del inverter. Por tanto decidimos agruparlos en 20 series de 20 paneles con una potencia pico de 200 x 550 = 110.000 vatios = 110 kWp al objeto de disponer de una potencia próxima a la buscada.

La forma de distribuir los 200 paneles será en filas de diferente longitud para formar un contorno elíptico. Preferimos la forma elíptica por minimizar la sombra arrojada por las esquinas con respecto a otros seguidores próximos pudiendo así aumentar la densidad de potencia por terreno ocupado.

Los captadores solares (11) se agruparán en filas (4) espaciadas para evitar sombrearse. Para minimizar las separaciones entre filas y los momentos debidos al empuje del viento sobre los paneles, estos se dispondrán acostados a modo de “lamas de persiana”. En nuestro caso la distancia entre filas para el modelo de panel mencionado será como mínimo 1100 x 1.33 = 1470 mm

Cada fila (4) de captadores solares (11 ) se apoyará sobre tres rótulas (12) atornilladas a los largueros (3) que forman un plano inclinado en función de la latitud de su ubicación, que facilita el enfoque cenital y minimiza la separación entre filas (4) aumentando la densidad de potencia.

Los largueros (3) así como las filas (4) de paneles se dimensionarán con longitudes máximas de 12 m por razones de suministro y transporte. Con estos criterios la parrilla de 200 paneles en filas de contorno elíptico tendrá unos diámetros de 25 m en el eje norte / sur, y 28 m en el eje este / oeste.

Otras formas de contorno son posibles si así se desea.

Cada larguero (3) se apoyará en tres puntos atornillados a los extremos de los 8 brazos radiales (2) que convergen en el cubo invertido (1 ), unido por su fondo al aro móvil de un rodamiento (7) de gran diámetro ubicado en el extremo de la columna (5). El peso sobre el rodamiento de toda la parte giratoria, incluidos captadores, ascenderá a 15.000 kg «150 KN

Se trata de un rodamiento (7) con dentado interior de 120 dientes por lo que cada diente supone un desplazamiento acimutal de 3607120 = 3 ^o , que servirá para que el sensor cuenta dientes nos indique su posición acimutal.

El diámetro de rodadura de las bolas es de 1005 mm siendo cada bola de 20 mm, lo que supondrá, según datos del fabricante, poder soportar para esta carga axial de 150 KN y un par de vuelco de 460 KN x metro (Ver catálogo Rotherde, serie KD 600, modelo 062.20.1094.500.01 .1503). Este par de vuelco es constante para cargas axiales de hasta 300 KN, por lo que el sobrepeso debido a la nieve queda dentro del margen de reserva del rodamiento (7). El par de vuelco estará provocado por la fuerza de arrastre del viento al incidir sobre el aérea proyectada en cualquier dirección (barlovento, sotavento o de perfil). Considerando la sección máxima (sotavento) con viento de 30 m/s, supondrá una fuerza de 59.000 N obtenida a partir del programa FLOW - SolidWorks. Fuerza eólica que actuará con un brazo de 0,9 m lo que generará un momento de:

Mto= 59.000 x 0,9 = 53.100 N = 53,1 KN x m, por tanto muy inferior al indicado por el fabricante de hasta 460 Kn x m, lo que supone un coeficiente de seguridad al vuelco de 8,6/1.

El giro acimutal será provocado por los actuadores lineales (10), solidarios al cubo (1 ), que integran, en su carcasa móvil, las pinzas de freno negativas (9) que amordazan el disco (8) fijo que abraza a la columna (5).

Los actuadores lineales (10) se fijarán al cubo (1 ) mediante dos pasadores, uno a cada extremo del vástago pasante, de forma que al actuar, éste permanecerá fijo, siendo la carcasa a que se mueva. Cada carcasa integrará en su estructura una pinza de freno negativa (9) de tal manera que mediante una secuencia de señales procedentes de un programador se podrán actuar dos o más pinzas (9) alternativa y sincronizadamente para conseguir que la parte giratoria del seguidor se mueva acimutalmente en una u otra dirección (vaivén) sin llegar a dar una vuelta completa y a su vez permanecer fijo en una posición durante un tiempo determinado.

La parte móvil del seguidor girará a intervalos de 3 ^o durante el día en la dirección Este - Oeste y retrocederá durante la noche a su posición de inicio (orto).

La fuerza de pinzado se ejercerá mediante arandelas muelle platillo DIN 2093 precomprimidas al 50% de su capacidad, para ejercer una fuerza de 60.000N sobre cada una de las dos pastillas de freno que abrazan al disco (8), de ahí que para un coeficiente de rozamiento en seco, entre ferodos y el disco de f=0.4 podrán soportar una fuerza de arrastre antes de deslizar de:

2 x 60.000 x 0,4 = 48.000 N

Por tanto, seleccionando dos actuadores lineales (10) capaces de ejercer una fuerza de 2 x 20.000 N, para dos actuadores (10) situados a un radio de 0,75 m del eje de giro, el par de giro acimutal será de: 2 x 20.000 x 0,75 = 30.400 N x m

Los actuadores lineales (10) se dimensionarán con una fuerza inferior a la de arrastre de las pinzas (9) para, en ningún caso, provocar deslizamientos y así evitar desgastes prematuros.

La orientación cenital se logrará solidarizando las filas (4) de los tubos porta - paneles a un mecanismo biela-manivela accionado por actuadores lineales (10), eléctricos o hidráulicos, sobre una barra que los sincroniza. El control del ángulo cenital se realiza mediante inclinómetro.

Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de ponerla en práctica, no consideramos necesario hacer más amplia 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 practica 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.