BR102017020510A2

BR102017020510A2 - MODULAR ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM USING FRESNEL LENS SOLAR CONCENTRATOR

Info

Publication number: BR102017020510A2
Application number: BR102017020510-0A
Authority: BR
Inventors: Alberto Gallo Carlos; Mendes Finzi Neto Roberto
Original assignee: Universidade Federal de Uberlândia
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-02-14

Abstract

a presente invenção refere-se a aplicação de um sistema fotovoltaico com uso de lentes de fresnel eletromecânico para posicionamento das lentes de forma automática de acordo com a movimentação do sol nos eixos norte e sul, bem como leste e oeste garantindo a incidência máxima do sol para rendimento máximo, o sistema proposto é modular e remoto, podendo ser levado a campo e conectado em modulas de acordo com a necessidade de energia elétrica no momento.The present invention relates to the application of a photovoltaic system using electromechanical fresnel lenses to automatically position the lenses according to the sun's movement in the north and south axes, as well as east and west ensuring maximum sun incidence. For maximum efficiency, the proposed system is modular and remote, and can be field-driven and modularly connected according to the current power requirement.

Description

(54) Título: SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA MODULAR UTILIZANDO CONCENTRADOR SOLAR POR LENTES DE FRESNEL (51) Int. Cl.: H02S 10/00; G05B 13/00; H02S 20/32; H02S 40/22; G02B 3/08 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA (72) Inventor(es): CARLOS ALBERTO GALLO; ROBERTO MENDES FINZI NETO (57) Resumo: A presente invenção refere-se a aplicação de um sistema fotovoltaico com uso de lentes de Fresnel eletromecânico para posicionamento das lentes de forma automática de acordo com a movimentação do sol nos eixos Norte e Sul, bem como Leste e Oeste garantindo a incidência máxima do sol para rendimento máximo, o sistema proposto é modular e remoto, podendo ser levado a campo e conectado em modulas de acordo com a necessidade de energia elétrica no momento.(54) Title: MODULAR ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM USING SOLAR CONCENTRATOR WITH FRESNEL LENSES (51) Int. Cl .: H02S 10/00; G05B 13/00; H02S 20/32; H02S 40/22; G02B 3/08 (73) Holder (s): FEDERAL UNIVERSITY OF UBERLÂNDIA (72) Inventor (s): CARLOS ALBERTO GALLO; ROBERTO MENDES FINZI NETO (57) Abstract: The present invention relates to the application of a photovoltaic system using electromechanical Fresnel lenses to position the lenses automatically according to the movement of the sun on the North and South axes, as well as East and West guaranteeing the maximum incidence of the sun for maximum yield, the proposed system is modular and remote, being able to be carried out in the field and connected in modules according to the need for electricity at the moment.

/ 12 “SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA MODULAR UTILIZANDO CONCENTRADOR SOLAR POR LENTES DE FRESNEL” [01]. Campo da Invenção [02]. A presente invenção refere-se a aplicação de um sistema fotovoltaico com uso de lentes de Fresnel eletromecânico para posicionamento das lentes de forma automática de acordo com a movimentação do sol nos eixos Norte e Sul, bem como Leste e Oeste garantindo a incidência máxima do sol para rendimento máximo, o sistema proposto é modular e remoto, podendo ser levado a campo e conectado em módulos de acordo com a necessidade de energia elétrica no momento./ 12 “MODULAR ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM USING SOLAR CONCENTRATOR WITH FRESNEL LENSES” [01]. Field of the Invention [02]. The present invention relates to the application of a photovoltaic system with the use of electromechanical Fresnel lenses for positioning the lenses automatically according to the movement of the sun on the North and South axes, as well as East and West ensuring the maximum incidence of the sun for maximum performance, the proposed system is modular and remote, being able to be carried out in the field and connected in modules according to the need for electricity at the moment.

[03]. Descrição do Estado da Técnica [04]. A presente invenção busca o desenvolvimento de um produto capaz de propiciar a geração de energia elétrica usando lentes de Fresnel ajustadas automaticamente independente da posição do sol, fazendo com que a incidência solar seja sempre a máxima possível, ocasionando assim o máximo rendimento em todo seu tempo de operação na geração fotovoltaica. O sistema proposto é composto de módulos compactos com geração de 500 Watts podendo ser facilmente acoplados de forma modular para geração da quantidade de energia necessária no momento. Devido ao processo de rastreamento do sol e sistema de lentes concentradoras, o sistema proposto de células multi-junção possui rendimento superior a 40%, enquanto o rendimento dos sistemas fotovoltaicos com células mono ou poli-cristalinos convencionais gira em torno de 16%. Este sistema visa a substituição de sistemas de motor gerador convencionais com queima de diesel e gasolina por módulos fotovoltaicos compactos, que podem ser aplicados na inclusão a energia elétrica de residências ou localidades remotas, ou mesmo ser conectado na rede elétrica em qualquer lugar fazendo a geração fotovoltaica quando não estiver sendo utilizada a campo. Desta forma, para[03]. Description of the State of the Art [04]. The present invention seeks the development of a product capable of providing electricity generation using Fresnel lenses automatically adjusted regardless of the position of the sun, making the solar incidence always the maximum possible, thus causing the maximum yield in all its time of operation in photovoltaic generation. The proposed system is composed of compact modules with generation of 500 Watts and can be easily coupled in a modular way to generate the amount of energy needed at the moment. Due to the sun tracking process and the concentrating lens system, the proposed multi-junction cell system has a yield greater than 40%, while the yield of photovoltaic systems with conventional mono or poly-crystalline cells is around 16%. This system aims at the replacement of conventional generator engine systems with burning diesel and gasoline by compact photovoltaic modules, which can be applied in the inclusion of electrical energy in homes or remote locations, or even be connected to the electricity grid anywhere generating photovoltaic when not being used in the field. In this way, for

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 8/29 / 12 geração de 1kW de energia elétrica, bastariam conectar dois módulos para esta geração de energia renovável.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 8/29 / 12 generation of 1kW of electrical energy, it would be enough to connect two modules for this generation of renewable energy.

[05]. A presente invenção busca uma forma de forma ecologicamente viável, buscando também sua viabilidade econômica do ponto de vista de possuir custo inferior às opções utilizadas atualmente, apresentando assim uma opção na substituição de sistemas de geração de energia remota, atualmente empregando sistemas motor gerador de combustão interna que emitem gases de efeito estufa, além de serem volumosos pesados e barulhentos. A tecnologia empregada permite também que quando o sistema não estiver sendo usado a campo, possa ser conectado em uma rede de energia da concessionaria local, contribuindo com a geração de energia elétrica, abatendo assim este consumo de energia da conta do consumidor.[05]. The present invention seeks an ecologically viable form, also seeking its economic viability from the point of view of having a lower cost than the options currently used, thus presenting an option in the replacement of remote power generation systems, currently employing combustion generator engine systems that emit greenhouse gases, in addition to being bulky, heavy and noisy. The technology employed also allows that when the system is not being used in the field, it can be connected to a local utility's power network, contributing to the generation of electricity, thus reducing this energy consumption in the consumer's account.

[06]. A BR 10 2015 004323 6 A2 trata de um sistema fotovoltaico autônomo de utilização externa onde a tecnologia de ultracapacitores no intuito de armazenamento de energia com alta densidade de potencia, assim como este componente é empregada na BR 10 2014 026215 6 A2, fazendo uso para a mesma aplicação e finalidade.[06]. BR 10 2015 004323 6 A2 deals with an autonomous photovoltaic system for external use where the ultracapacitor technology in order to store energy with high power density, as well as this component is used in BR 10 2014 026215 6 A2, making use for the same application and purpose.

[07]. Na invenção BR 11 2014 025917 8 A2 faz se uso do conceito de concentração solar para aumentar a densidade de energia a ser gerada por unidade de volume do dispositivo empregado, onde este foco pode ser direcionado ou estático. A invenção BR 11 2015 017935 5 A2 busca o deslocamento dos captores de energia fazendo o rastreador solar, contudo faz isso apenas em um eixo de deslocamento, otimizando a geração de energia levando em conta a rotação da terra, considerando apenas o eixo Leste e Oeste, desconsiderando a translação que ocorre ao longo do ano, como pode ser percebido nas mudanças de estação, relacionado com a mudança de ângulo de incidência solar do eixo Norte e Sul.[07]. In the BR 11 2014 025917 8 A2 invention, the concept of solar concentration is used to increase the energy density to be generated per unit volume of the device used, where this focus can be directed or static. The invention BR 11 2015 017935 5 A2 seeks the displacement of the energy captors by making the solar tracker, however it does so only in one displacement axis, optimizing the generation of energy taking into account the rotation of the earth, considering only the East and West axis , disregarding the translation that occurs throughout the year, as can be seen in the changes in the season, related to the change in the angle of solar incidence of the North and South axis.

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 9/29 / 12 [08]. O conceito de elementos de concentração solar tem seu uso originado em sistema de captação de calor para aquecimento fazendo uso das lentes convergentes ou concentradoras chamadas Lentes de Fresnel, como apresentado na invenção PI 0109420-3 A2 onde seu emprego é feito para concentrar a energia solar em um ponto e aquecer um fluido. Outra invenção que utiliza este princípio é a BR 11 2012 019841 6 A2 apresentando uma diferença em relação com a anterior que é o principio de deslocamento levando em conta o deslocamento de Leste para Oeste do planeta em rotação. Conceito, este último encontrado na invenção BR 11 2013 030837 0 A2.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 9/29 / 12 [08]. The concept of solar concentration elements has its use originated in a heat capture system for heating using convergent lenses or concentrators called Fresnel Lenses, as presented in the PI 0109420-3 A2 invention where its use is made to concentrate solar energy at one point and heat up a fluid. Another invention that uses this principle is BR 11 2012 019841 6 A2, showing a difference in relation to the previous one, which is the displacement principle taking into account the displacement from East to West of the rotating planet. Concept, the latter found in the BR 11 2013 030837 0 A2 invention.

[09]. Existem invenções que buscam estas vantagens relacionadas a utilização de lentes como a de Fresnel para concentração de energia solar com aplicação em geração fotovoltaica como a US 20080170312 A1 porém esta com lentes fixas. O direcionamento do fluxo solar pode ser feito com uso de espelhos, onde a movimentação dos mesmos faz o direcionamento da célula fotovoltaica, responsável pela conversão de energia solar em energia elétrica, como feito na invenção US 20140360487 A1 onde se utiliza dois espelhos planos para fazer o direcionamento da energia solar para o painel fotovoltaico. Assim como na invenção US 20120132871 A1 que faz uso de lentes para convergir a energia solar, fazem o deslocamento levando em conta apenas deslocamento longitudinal do sol, apenas o eixo Leste e Oeste.[09]. There are inventions that seek these advantages related to the use of lenses such as Fresnel for concentration of solar energy with application in photovoltaic generation such as US 20080170312 A1 but this with fixed lenses. The direction of the solar flow can be done with the use of mirrors, where the movement of them makes the direction of the photovoltaic cell, responsible for the conversion of solar energy into electrical energy, as done in the invention US 20140360487 A1 where two flat mirrors are used to make directing solar energy to the photovoltaic panel. As in the invention US 20120132871 A1, which uses lenses to converge solar energy, they make the displacement taking into account only the longitudinal displacement of the sun, only the East and West axis.

[010]. Desta forma, no intuito de se produzir uma invenção com a maior relação de densidade de energia possível lança se mão do uso de Células Fotovoltaicas Multijunção que fazem a conversão de energia solar em energia elétrica dentro de varias faixas diferentes de espectros luminosos, diferentemente dos painéis fotovoltaicos que são feitos para trabalhar em monojunção, ou seja, em uma estreita faixa de espectro solar e não concentrada. A célula multijunção apresenta uma característica ainda em estudos por se tratar de tecnologia nova, ou seja, suas aplicações estão começando a ser conhecidos, como pode ser visto na US[010]. Thus, in order to produce an invention with the highest possible energy density ratio, the use of Multijunction Photovoltaic Cells that convert solar energy into electrical energy within several different bands of light spectra, unlike panels photovoltaic that are made to work in single-joint, that is, in a narrow band of solar spectrum and not concentrated. The multijunction cell has a feature still under study because it is new technology, that is, its applications are beginning to be known, as can be seen in the US

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 10/29 / 12Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 10/29 / 12

8,619,356 e na US8,154,792, ambas feitas pela Força Aérea Americana.8,619,356 and US 8,154,792, both made by the American Air Force.

[011]. Este tipo de célula fotovoltaica apresenta rendimento muito alto, que favorece o desenvolvimento de um sistema de conversão fotovoltaico de alta densidade de energia, contudo este tipo de componente necessita que os raios luminosos sejam concentrados em um ponto de conversão necessitando de uma grande precisão, uma vez que a área de conversão é muito restrita. Desvios da ordem de 5 graus no ponto de concentração de energia fotovoltaico causam redução na taxa de conversão superior a 50% de sua capacidade. Desta forma, este tipo de componente para ser economicamente viável em sua aplicação de geração fotovoltaica, necessita que a concentração seja feita com um direcionamento nos quatro eixos, ou seja, é necessário que o sistema de direcionamento se posicione nos eixos Leste e Oeste, ligados a rotação do planeta, mas também nos eixos Norte e Sul, relacionados com a translação da Terra. A falta da movimentação do eixo de translação implicaria em erro no posicionamento do foco luminoso inviabilizando o projeto, uma vez que, a eficiência do sistema seria comprometido trazendo o para patamares de sistemas fotovoltaicos convencionais, não justificando assim sua maior tecnologia aplicada na movimentação das lentes.[011]. This type of photovoltaic cell has a very high efficiency, which favors the development of a high energy density photovoltaic conversion system, however this type of component requires that the light rays be concentrated in a conversion point, requiring a great precision, a since the conversion area is very restricted. Deviations of about 5 degrees at the point of concentration of photovoltaic energy cause a reduction in the conversion rate of more than 50% of its capacity. Thus, this type of component to be economically viable in its application of photovoltaic generation, requires that the concentration be made with a direction in the four axes, that is, it is necessary that the direction system is positioned in the East and West axes, connected the rotation of the planet, but also on the North and South axes, related to the Earth's translation. The lack of movement of the translation axis would imply an error in the positioning of the luminous focus making the project unfeasible, since the efficiency of the system would be compromised bringing it to the levels of conventional photovoltaic systems, thus not justifying its greater technology applied in the movement of the lenses .

[012]. No intuito de tornar ainda mais atrativo economicamente a presente invenção, além de poder ser levada e colocada em qualquer lugar fazendo a substituição de sistemas de motor gerador de combustão interna em locais remotos, a mesma pode ser utilizada em locais alimentados por concessionarias de energia elétrica fazendo o papel de cogeração de energia elétrica, levando ao abatimento da energia elétrica gerada em relação ao que seria consumido. A invenção é um sistema modular de 500 Watts que pode ser ligado de forma a somar os grupos de geração até o valar de energia necessário para sua aplicação em locais desprovidos de fornecimento de energia elétrica ou quando não estiver em uso, pode ser conectado pelo consumidor para fazer a geração de energia[012]. In order to make the present invention even more economically attractive, in addition to being able to be taken and placed anywhere by replacing internal combustion engine systems in remote locations, it can be used in locations powered by electric utilities playing the role of cogeneration of electricity, leading to the reduction of the electricity generated in relation to what would be consumed. The invention is a modular system of 500 Watts that can be connected in order to add the generation groups up to the energy ditch necessary for their application in places without electricity supply or when not in use, can be connected by the consumer to do the power generation

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 11/29 / 12 com abatimento em sua conta de energia elétrica.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 11/29 / 12 with discount on your electric bill.

[013]. Apresentação das soluções em linhas gerais [014]. As aplicações da presente invenção ficam generalizadas a qualquer utilização onde se enquadraria a utilização de sistema motor gerador convencional, porém sem emissão de gases poluentes ou de geração de efeito estufa. Outra vantagem é que este sistema fotovoltaico usando células multi junção possui volume compatível com um sistema motor gerador para a potencia elétrica equivalente, porem mais leve e sem utilização de nenhum tipo de combustível. Pela utilização de inversor de freqüência que se sincroniza com a rede elétrica, estes módulos quando não estiverem a campo, podem ser colocados no modo de cogeração de energia elétrica onde estiverem baseados exportando energia para a concessionária ou mesmo abatendo parte do consumo de energia elétrica local, na geração de energia elétrica e abatimento desta energia dos custos de sua conta de energia, atendendo à resolução da ANEEL 428 de 17/04/2012.[013]. Presentation of solutions in general lines [014]. The applications of the present invention are generalized to any use where the use of a conventional generator motor system would fit, but without emission of polluting gases or of the generation of greenhouse effect. Another advantage is that this photovoltaic system using multi junction cells has a volume compatible with a generator motor system for equivalent electrical power, but lighter and without using any type of fuel. By using a frequency inverter that synchronizes with the electrical network, these modules, when not in the field, can be placed in the electric energy cogeneration mode where they are based on exporting energy to the concessionaire or even reducing part of the local electricity consumption. , in the generation of electric energy and reduction of this energy from the costs of its energy bill, in compliance with ANEEL 428 resolution of 4/17/2012.

[015]. Um sistema de concentrador de lentes Fresnel será de espessura mais fina e mais leve do que um de superfície óptica contínua equivalente. O ganho é mais evidente em grandes áreas de aplicações (200 χ 200mm2 ou maior, por exemplo) em que as lentes de refração do núcleo sólido contínuo tornam-se muito pesadas e difíceis de manejar. Um campo em que esta vantagem é de grande importância é a concentração de energia solar. A maneira mais simples de pensar em um concentrador solar de lentes Fresnel é considerar uma lente com o ponto focal localizado na célula solar. Quando a lente é apontada diretamente para o sol, a luz será focada na célula com o aumento da concentração, exigindo assim, menos área ativa de células o que pode ser uma vantagem econômica.[015]. A Fresnel lens concentrator system will be thinner and lighter in thickness than an equivalent continuous optical surface. The gain is most evident in large application areas (200 χ 200mm2 or greater, for example) where the solid solid core refraction lenses become very heavy and difficult to handle. One field in which this advantage is of great importance is the concentration of solar energy. The simplest way to think of a Fresnel lens solar concentrator is to consider a lens with the focal point located on the solar cell. When the lens is pointed directly at the sun, the light will be focused on the cell with increased concentration, thus requiring less active cell area, which can be an economic advantage.

[016]. Para aplicações de fluxo médio, lentes Fresnel apresentam baixa precisão na reprodução de imagens, contudo apresentam uma elevada eficiência no que[016]. For medium flow applications, Fresnel lenses have low precision in image reproduction, however they are highly efficient in terms of

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 12/29 / 12 tange a concentração da luz, principio que se torna fundamental para esta aplicação. Definindo dois pares de ângulos aceitação no plano transversal e no plano perpendicular, estes abrangem uma parte do hemisfério, permitindo assim uma janela através da qual o concentrador visualiza a luz solar.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 12/29 / 12 touch the concentration of light, a principle that becomes fundamental for this application. Defining two pairs of acceptance angles in the transverse plane and in the perpendicular plane, these cover a part of the hemisphere, thus allowing a window through which the concentrator visualizes sunlight.

[017]. Descrição das figuras [018]. FIGURA 1: Convergência dos raios solares para concentração solar nas células multijunção.[017]. Description of figures [018]. FIGURE 1: Convergence of the solar rays for solar concentration in the multijunction cells.

[019]. FIGURA 2: a) eixo de rotação da Terra e seu mecanismo para rastreio dos raios solares neste eixo; b) eixo de translação da Terra e seu mecanismo de rastreio dos raios solares neste eixo.[019]. FIGURE 2: a) Earth's axis of rotation and its mechanism for tracking the sun's rays on this axis; b) Earth's translation axis and its mechanism for tracking the sun's rays on this axis.

[020]. FIGURA 3: Implementação do sistema para rastreio dos raios solares em rotação (Zenite) e translação (Azimute).[020]. FIGURE 3: Implementation of the system for tracking sun rays in rotation (Zenite) and translation (Azimuth).

[021]. FIGURA 4: Detalhamento angular para operação do rastreio dos raios solares nos eixos cardinais quanto a rotação e translação da Terra.[021]. FIGURE 4: Angular detailing for the operation of tracking the sun's rays in the cardinal axes regarding the rotation and translation of the Earth.

[022]. FIGURA 5: Plataforma implementada e mecanismos operacionais para rastreio solar nos eixos de rotação e de translação.[022]. FIGURE 5: Platform implemented and operational mechanisms for solar tracking on the rotation and translation axes.

[023]. FIGURA 6: Sensor eletrônico para rastreio dos raios solares.[023]. FIGURE 6: Electronic sensor for tracking the sun's rays.

[024]. FIGURA 7: Princípio de funcionamento do sensor de rastreio solar.[024]. FIGURE 7: Principle of operation of the solar tracking sensor.

[025]. FIGURA 8: Estrutura completa para sistema de geração fotovoltaico de alto rendimento com rastreamento solar proposto onde o microcontrolador/microprocessador é representado por um computador portátil. [026]. FIGURA 9: Algoritmo para caracterização de módulos fotovoltaicos.[025]. FIGURE 8: Complete structure for high performance photovoltaic generation system with proposed solar tracking where the microcontroller / microprocessor is represented by a portable computer. [026]. FIGURE 9: Algorithm for characterizing photovoltaic modules.

[027]. FIGURA 10: Algoritmo de operação e controle do sistema [028]. FIGURA 11: Apresenta o comportamento da irradiação solar ao longo do dia de ensaio[027]. FIGURE 10: System operation and control algorithm [028]. FIGURE 11: Shows the behavior of solar irradiation throughout the test day

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 13/29 / 12 [029]. FIGURA 12: Apresenta os dados de corrente e potência gerados no painel fotovoltaico.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 13/29 / 12 [029]. FIGURE 12: Shows the current and power data generated on the photovoltaic panel.

[030]. Descrição detalhada da invenção [031]. A FIGURA 1 mostra a lente de Fresnel que inicialmente foram fabricadas por técnicas de retifica e polimento do vidro, para depois serem fabricadas injetando o vidro fundido em um molde metálico, devido as altas tensões na superfície do vidro que apresentavam perdas de qualidade ótica. Com advento dos plásticos de qualidade óticas e as técnicas de moldagem por compressão e por injeção, associado as máquinas de controle numéricos foi possível produzir lentes de Fresnel com alta qualidade ótica. Métodos modernos de máquinas de comando numérico podem ser utilizados para cortar a superfície de cada cone, precisamente de modo a levar todos os raios paraxiais em foco exatamente no mesmo ponto, evitando a aberração esférica. Melhor ainda, métodos mais recentes podem ser usados para cortar cada uma das superfícies de refração no contorno esférico correto, evitando-se assim ainda a largura da ranhura (tipicamente 0,1 a 1 mm), como um limite para a nitidez do foco.[030]. Detailed description of the invention [031]. FIGURE 1 shows the Fresnel lens that were initially manufactured by glass grinding and polishing techniques, and then were manufactured by injecting the molten glass into a metallic mold, due to the high stresses on the glass surface that presented losses in optical quality. With the advent of optical quality plastics and compression and injection molding techniques, together with numerical control machines, it was possible to produce Fresnel lenses with high optical quality. Modern methods of numerically controlled machines can be used to cut the surface of each cone, precisely in order to bring all the paraxial rays in focus at exactly the same point, avoiding spherical aberration. Better yet, more recent methods can be used to cut each of the refractive surfaces to the correct spherical contour, thereby also avoiding the groove width (typically 0.1 to 1 mm), as a limit to the sharpness of the focus.

[032]. A FIGURA 2 mostra o efeito de rotação e de translação do planeta terra, onde se pode ver a necessidade do posicionamento dos dois eixos longitudinais na busca do foco para maior eficiência na concentração. Onde a FIGURA 02 a) mostra a ação para o eixo de acompanhamento de rotação da Terra, enquanto a FIGURA 02 b) mostra a ação do mecanismo para acompanhamento do eixo de rotação da Terra.[032]. FIGURE 2 shows the effect of rotation and translation of the planet earth, where it is possible to see the need to position the two longitudinal axes in search of the focus for greater efficiency in concentration. Where FIGURE 02 a) shows the action for the Earth's rotation tracking axis, while FIGURE 02 b) shows the action of the mechanism for tracking the Earth's rotation axis.

[033]. A FIGURA 3 mostra o efeito da concentração dos raios de sol, bem como o posicionamento do foco central concentrado por meio da movimentação do anteparo. Esta movimentação é feita para garantir que o foco seja mantido o tempo todo na célula multijunção, garantindo assim a máxima eficiência na geração de energia elétrica ao longo do dia. Este sistema de posicionamento fica[033]. FIGURE 3 shows the effect of the concentration of the sun's rays, as well as the positioning of the concentrated central focus by moving the bulkhead. This movement is done to ensure that the focus is maintained at all times in the multi-function cell, thus ensuring maximum efficiency in the generation of electricity throughout the day. This positioning system is

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 14/29Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 14/29

8/12 atrelado com o controle tendo por malha de realimentação a máxima geração de energia elétrica, ou seja, mesmo que o sistema seja movido ou sombreado por algum motivo, sempre será buscado que o foco solar esteja posicionado direto na célula de multijunção para que a conversão de energia solar em elétrica seja sempre máxima.8/12 linked to the control having as feedback loop the maximum generation of electric energy, that is, even if the system is moved or shaded for some reason, it will always be sought that the solar focus is positioned directly in the multi-function cell so that the conversion of solar energy into electricity is always maximum.

[034], A FIGURA 03 mostra sistema de rastreamento solar que opera em dois eixos de referências (azimute e zênite) que facilitam o processo de localização da posição solar no céu. A ilustração da fixação dos painéis fotovoltaicos, observando os eixos de movimentação. Os ângulos de azimute e zênite estão intimamente ligados à forma como o sol cruza o céu ao longo do dia (de leste a oeste), ao longo do ano (de norte a sul) e à posição global do rastreador em termos de suas coordenadas de latitude e longitude. Os painéis solares são orientados usando essas três informações para calcular os ângulos de azimute e zênite, conforme está ilustrado. Sendo 3, o vetor que representa as linhas de incidência solar no plano a- β do painel, esse plano encontra-se deslocado angularmente do plano x - y em γ graus no eixo de azimute e θ_ζ graus no eixo de zênite.[034], FIGURE 03 shows a solar tracking system that operates on two reference axes (azimuth and zenith) that facilitate the process of locating the solar position in the sky. The illustration of fixing the photovoltaic panels, observing the movement axes. The azimuth and zenith angles are closely linked to the way the sun crosses the sky throughout the day (from east to west), throughout the year (from north to south) and the global position of the tracker in terms of its coordinates of latitude and longitude. The solar panels are oriented using this three information to calculate the azimuth and zenith angles, as shown. Since 3 is the vector that represents the lines of solar incidence in the a- β plane of the panel, this plane is displaced angularly from the x - y plane by γ degrees on the azimuth axis and θ _ζ degrees on the zenith axis.

[035], A FIGURA 4 mostra que ao se montar o conjunto de painéis, deve-se observar o seguinte procedimento de alinhamento. Mover o plano dos painéis solares para sua condição de azimute médio. Considerando que o sistema de rastreamento apresenta 200° graus de liberdade no eixo de azimute, o painel o conjunto de painéis deve ser movimentado para γ = 100°. Alinha estrutura completa do sistema de rastreamento com o Norte verdadeiro. O objetivo dessa etapa é alinhar o vetor perpendicular ao plano de incidência dos painéis, previamente movidos para γ = 100°, com o Norte Verdadeiro. Com isso, o sistema mecânico do rastreador será capaz de movimentar o azimute na faixa de -100° até + 100° para localizar o sol.[035], FIGURE 4 shows that when assembling the panel set, the following alignment procedure must be observed. Move the plane of the solar panels to their medium azimuth condition. Considering that the tracking system has 200 ° degrees of freedom on the azimuth axis, the panel or set of panels must be moved to γ = 100 °. Aligns complete structure of the tracking system with the true North. The objective of this step is to align the vector perpendicular to the plane of incidence of the panels, previously moved to γ = 100 °, with the True North. With this, the mechanical system of the tracker will be able to move the azimuth in the range of -100 ° to + 100 ° to locate the sun.

[036], A FIGURA 5 mostra cada um dos eixos, da plataforma de posicionamento, onde existe um encoder (1) rotacional que mede o deslocamento angular em[036], FIGURE 5 shows each axis of the positioning platform, where there is a rotational encoder (1) that measures the angular displacement in

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 15/29 / 12 relação a uma referência pré-estabelecida para cada eixo. Em relação ao eixo de zênite, a referência estabelecida equivale ao ângulo θζ igual a zero graus, ou seja, é equivalente a uma incidência normal ao plano da superfície da terra. Já em relação ao eixo de azimute, a referência está associada ao já descrito Norte Verdadeiro do planeta. Na figura pode ser visto a localização dos encoders, na estrutura de rastreamento projetada. Os encoders rotativos usados precisam apresentar grande quantidade de pontos de resolução por volta, o que produz erros angulares inferiores devem ser 0,36°.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 15/29 / 12 relation to a pre-established reference for each axis. In relation to the zenith axis, the reference established is equivalent to the angle θζ equal to zero degrees, that is, it is equivalent to an incidence normal to the plane of the earth's surface. Regarding the azimuth axis, the reference is associated with the already described True North of the planet. The figure shows the location of the encoders in the projected tracking structure. The rotary encoders used must have a large number of resolution points per turn, which produces lower angular errors must be 0.36 °.

[037]. A FIGURA 6 aborda as especificações técnicas do sensor utilizado para identificar a correta posição do sol em relação à posição dos painéis solares. Características técnicas, funcionais, dimensionais e de calibração são apresentadas de maneira a tornar seu funcionamento e integração com o sistema de rastreamento claras e corretas. O coração do sistema de ajuste fino para posicionamento do rastreador é o sensor de localização solar. O sensor é destinado a operar como elemento de ajuste fino em sistema de rastreamento solar que operam em malha fechada. Para tanto, o sensor identifica a posição solar em relação ao seu plano frontal conforme ilustrado na Figura 06. Os eixos X e Y referem-se aos eixos solares de azimute e zênite, respectivamente.[037]. FIGURE 6 addresses the technical specifications of the sensor used to identify the correct position of the sun in relation to the position of the solar panels. Technical, functional, dimensional and calibration characteristics are presented in order to make its operation and integration with the tracking system clear and correct. The heart of the fine-tuning system for positioning the tracker is the solar location sensor. The sensor is intended to operate as a fine-tuning element in a solar tracking system that operates in closed loop. For this purpose, the sensor identifies the solar position in relation to its frontal plane, as shown in Figure 06. The X and Y axes refer to the azimuth and zenith solar axes, respectively.

[038]. A FIGURA 7 mostra o ângulo de incidência dos raios solares que é medido por meio de um aparato óptico que permite a entrada limitada de raios solares por meio da pequena abertura frontal, aqui chamada de janela ou cone de aceitação. Um fotodetector de quatro quadrantes recebe os raios solares que atravessam esta estreita janela e geram voltagens proporcionais (VPH1, VPH2, VPH3 e VPH4), à quantidade de raios incidentes em cada quadrante. Quanto menor o cone de aceitação, menor as áreas iluminadas nos quadrantes e, por consequência, mais preciso será o sistema de posicionamento. Internamente, o sensor apresenta um circuito eletrônico que disponibiliza as quatro voltagens citadas para uso em um sistema embarcado de processamento de dados. Outro[038]. FIGURE 7 shows the angle of incidence of the sun's rays that is measured by means of an optical apparatus that allows limited entry of sun rays through the small front opening, here called the window or cone of acceptance. A four-quadrant photodetector receives the sun's rays through this narrow window and generates proportional voltages (VPH1, VPH2, VPH3 and VPH4), according to the amount of rays incident in each quadrant. The smaller the acceptance cone, the smaller the illuminated areas in the quadrants and, consequently, the more accurate the positioning system will be. Internally, the sensor has an electronic circuit that makes available the four voltages mentioned for use in an embedded data processing system. Other

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 16/29 / 12 detalhe mecânico importante deste sensor a ser levando em conta é a resolução que deve ser da ordem de 0,01°, com vida útil de dez anos. Isso permite encontrar o máximo de incidência solar com alta precisão e confiabilidade. Em relação às condições ambientais de operação, além do já citado grau de proteção IP65, o sensor é capaz de operar em temperaturas extremas variando entre -40°C e 85°C.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 16/29 / 12 important mechanical detail of this sensor to be taken into account is the resolution that must be in the order of 0.01 °, with a useful life of ten years. This allows to find the maximum solar incidence with high precision and reliability. Regarding environmental operating conditions, in addition to the already mentioned degree of protection IP65, the sensor is capable of operating in extreme temperatures ranging from -40 ° C to 85 ° C.

[039]. A FIGURA 8 mostra o diagrama completo de operação do sistema proposto, onde fica contemplado toda a estrutura de captação solar e conversão solar em energia elétrica, onde é mostrado também na figura, os circuitos de acondicionamento de sinais necessários para controle, representados em fase demonstrativa por meio de microcomputador portátil, o qual será incorporada suas funções e ações em um microcontrolador/microprocessador de baixo consumo de energia, preocupando também com o rendimento da estrutura como um todo.[039]. FIGURE 8 shows the complete operation diagram of the proposed system, which includes the entire structure of solar capture and solar conversion into electrical energy, where the signal conditioning circuits necessary for control are also shown in the figure, represented in a demonstration phase. by means of a portable microcomputer, which will incorporate its functions and actions in a low energy consumption microcontroller / microprocessor, also concerned with the performance of the structure as a whole.

[040]. A FIGURA 9 mostra o algoritmo de operação e controle do sistema, para realizar o rastreamento solar bem como a otimização para máxima geração de energia elétrica, uma vez que é maximizada a captação solar. Este algoritmo está implementado segundo a figura via microcontrolador/microprocessador do tipo nanowatt que é um controlador de mínimo consumo de energia elétrica para operar.[040]. FIGURE 9 shows the operation and control algorithm of the system, to perform solar tracking as well as the optimization for maximum generation of electric energy, since solar capture is maximized. This algorithm is implemented according to the figure via a microcontroller / microprocessor of the nanowatt type, which is a controller with minimum consumption of electrical energy to operate.

[041]. Toda a descritiva apresentada no presente pedido de patente se refere a um único modulo de geração de energia elétrica, fazendo a conversão fotovoltaica de energia utilizando lentes de Fresnel e concentração de energia solar, com capacidade de gerar 500 Watts de energia elétrica, com rendimento acima de 40%, sendo totalmente orientada nos quatro eixos de rotação para maximizar sua geração de energia elétrica. Para geração de valores superiores, bastaria fazer a conexão de módulos para gerar a energia necessária, onde o acoplamento dos módulos é feito por conexões elétricas simples e rápida, pois a parte de orientação é independente para cada modulo e totalmente automatizado para inicio imediato de geração.[041]. The entire description presented in the present patent application refers to a single module of electric energy generation, making the photovoltaic conversion of energy using Fresnel lenses and concentration of solar energy, with the capacity to generate 500 Watts of electrical energy, with efficiency above 40%, being fully oriented on the four axes of rotation to maximize its electric power generation. To generate higher values, it would be enough to connect the modules to generate the necessary energy, where the coupling of the modules is made by simple and quick electrical connections, since the orientation part is independent for each module and fully automated for immediate start of generation .

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 17/29 / 12 [042]. A FIGURA 10 apresenta o comportamento da irradiação solar ao longo do dia de ensaio. Observa-se que por volta das treze horas houve uma pequena redução da radiação solar, em grande parte, por um pequeno acumulo de nuvens esparsas sobre a cidade de Uberlândia. O rastreador foi iniciado às sete horas da manhã do dia sete de dezembro do corrente ano e sua operação foi monitorada por um período de doze horas, em intervalos de dois minutos.Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 17/29 / 12 [042]. FIGURE 10 shows the behavior of solar irradiation throughout the test day. It is observed that around thirteen hours there was a small reduction in solar radiation, largely due to a small accumulation of scattered clouds over the city of Uberlândia. The tracker was started at seven in the morning on December 7th this year and its operation was monitored for a period of twelve hours, at two-minute intervals.

[043]. A FIGURA 11 mostra os gráficos de tempo de ajuste dos painéis para os eixos de azimute e zênite. O sistema opera com o tempo mínimo gasto para se efetuar um laço de operação em malha fechada que é de 1ms. Desta informação, decorre o valor mínimo de tempo medido em cada um dos gráficos. O sistema operacional embarcado não é determinístico em relação ao intervalo de tempo do processo de aquisição. Essa é uma característica inerente a sistemas operacionais embarcados. As pequenas oscilações aleatórias de tempo decorrem desta informação. O gráfico do tempo gasto para ajuste do eixo de zênite está muito próximo do limite mínimo do tempo de operação mínimo do faço de operação em malha fechada. Isso decorre que, praticamente, não houve necessidade de correção da posição dos painéis para esse eixo. O correto posicionamento do rastreador associada a excelente qualidade mecânica da guia linear usada no projeto geram movimentos precisos para o eixo de zênite. Já para o eixo de azimute, da mesma figura, observa-se um comportamento diferente. A medida que o sol se aproxima de seu máximo no céu, o movimento de azimute torna-se mais pronunciado. Porém, ao contrário do que acontece com o eixo de zênite, mais correções foram necessárias. O principal motivo para isso se deve a uma pequena folga existente no conjunto redutor que conecta o motor à plataforma dos painéis. A medida que o movimento aumenta, o erro no posicionamento também tende a aumentar, o que requer mais correções do laço de operação em malha fechada, onde o tempo máximo apresentado não foi superior a 0,15 segundos.[043]. FIGURE 11 shows the adjustment time graphs of the panels for the azimuth and zenith axes. The system operates with the minimum time spent to make a closed loop operation loop that is 1ms. From this information, the minimum value of time measured in each graph follows. The embedded operating system is not deterministic in relation to the time interval of the acquisition process. This is an inherent feature of embedded operating systems. Small random fluctuations in time result from this information. The graph of the time spent to adjust the zenith axis is very close to the minimum limit of the minimum operating time of the closed loop operation. This follows that, practically, there was no need to correct the position of the panels for this axis. The correct positioning of the tracker associated with the excellent mechanical quality of the linear guide used in the project generate precise movements for the zenith axis. As for the azimuth axis, of the same figure, a different behavior is observed. As the sun approaches its maximum in the sky, the azimuth movement becomes more pronounced. However, contrary to what happens with the zenith axis, more corrections were necessary. The main reason for this is due to a small gap in the gear unit that connects the motor to the panel platform. As the movement increases, the positioning error also tends to increase, which requires more corrections of the closed loop operation loop, where the maximum time displayed was not more than 0.15 seconds.

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 18/29 / 12 [044]. A FIGURA 12 apresenta os dados de corrente e potência gerados no painel fotovoltaico. A carga usada para drenar a energia gerada apresenta resistência de 16,6Ω. A máxima potência gerada pelo sistema indica um pico de aproximadamente 157W próximo das quatorze horas por cada uma das 4 células que compõe cada conjunto de geração de energia elétrica. Essa leitura está de acordo com o ponto maior irradiação solar para o dia de ensaio (1066W/m2). O perfil do gráfico de geração de potência também é análogo ao perfil de irradiação solar, apresentado na FIGURA 10. A principal conclusão para essa informação visual é a confirmação da correta operação do sistema de rastreamento. Em relação ao perfil de corrente fornecido pelas células do painel, observa-se um pico ocorrendo também às quatorze horas e com um valor de 2,56A. O fabricante da célula, AZURSPACE (2016), especifica que a corrente fornecida em regime de máxima transferência de potência pode alcançar 4,135A com concentração de 1000x e irradiação solar de 1000W/m2. Isso implica afirmar que seria possível drenar ainda mais potência do painel caso fosse usada uma carga de menor resistência ou se a saída do mesmo fosse conectada a um inversor com rastreamento do ponto de máxima transferência de potência (MPPT - Maximum Power Point Tracking).Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 18/29 / 12 [044]. FIGURE 12 shows the current and power data generated on the photovoltaic panel. The load used to drain the generated energy has a resistance of 16.6Ω. The maximum power generated by the system indicates a peak of approximately 157W near fourteen hours for each of the 4 cells that make up each set of electric power generation. This reading is in accordance with the highest solar irradiation point for the test day (1066W / m2). The profile of the power generation graph is also analogous to the profile of solar irradiation, shown in FIGURE 10. The main conclusion for this visual information is the confirmation of the correct operation of the tracking system. In relation to the current profile provided by the panel cells, a peak is also observed at fourteen hours and with a value of 2.56A. The manufacturer of the cell, AZURSPACE (2016), specifies that the current supplied in the maximum power transfer regime can reach 4.135A with a concentration of 1000x and solar radiation of 1000W / m2. This implies that it would be possible to drain even more power from the panel if a lower resistance load was used or if the output of the panel was connected to an inverter with maximum power transfer point (MPPT) tracking.

Petição 870170071994, de 25/09/2017, pág. 19/29 / 2Petition 870170071994, of September 25, 2017, p. 19/29 / 2

Claims

1. Modular electric power generation system using a solar concentrator using Fresnel lenses, characterized by a position control system for concentrating the sun's rays in a multi-function cell and the like, with fully autonomous solar displacement and rotation through a sensor that guides the encoder (1) for positioning the luminous focus on the photovoltaic conversion lens, controlled by microcontroller / microprocessor and composed of solar concentration lenses and receivers for photovoltaic conversion of this solar energy.

2. System according to claim 1, characterized by hiding (1) measuring the angular displacement in relation to a pre-established reference for each axis, for the zenith axis the established reference is equivalent to the angle θζ equal to zero degrees, and in relation to the azimuth axis, the reference is the True North of the planet.

3. System according to claim 1, characterized by the sensor operating as a fine adjustment element, identifying the solar position in relation to the frontal plane.

4. System according to claims 1 to 3, characterized by the system being completely autonomous in the search for the highest solar incidence to guarantee maximum energy efficiency.

5. System according to claims 1 to 4, characterized in that the system can be grouped in several modules to add the generated power necessary to supply varied loads.

6. System according to claims 1 to 5, characterized by the system being able to operate in isolation in a remote area, as well as associated with

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2/2 on-load energy cogeneration connected to a local electric utility at low voltage level.

7. System according to claims 1 to 6, characterized by operating through solar capture and solar conversion into electrical energy according to the steps:

a) Select the type of module to test (monocrystalline, multi-function), send control signal to the switch;

b) Pre-establish values for the electrical characteristics (Isc and Voc) of the photovoltaic module;

c) Configuration of the voltage signal for characterization based on the values previously entered;

d) Communication configuration with the instruments using the IEEE488 protocol;

e) Sending a voltage signal to the source and simultaneously reading voltage, current, temperature and radiation data;

f) Graph construction;

g) Data storage.

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1/7

FIGURE 01 rotation φ:

raLaCion 4

FIGURE 02

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2/7

FIGURE 03

Sun

Caw / io do

FIGURE 04

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3/7

FIGURE 05

Front view isometric view

FIGURE 06

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4/7 window sun ray microsensor and quadrants

FIGURE 07

Control signal

Mono and multi-function reference cells _________ ί · * 4— “22222214 ^f * I Agilent 34411A (irradiated)

Agilent 34411A li (temperature)

Module

Agilent 34411A (voltage)

Agilent 34411A (current)

Rd

GPIB bus

USB talk · GPIB

Kepco BOP 100-10MG font

FIGURE 08

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5/7

STARTED

Select-the-type-model for the test / monocrystalline / multi-function), send a control-signal to the switch.U

Pre-estab el ecer -go ores -d as-c ar acteri sti cas el êtri c as tlsc -e Vo c) -d modul o foto voltai c ο.ψ

Con figuration -d to sin al -d and voltage p a a-c ar acterizatio n action b asead a nos ores beforein serí d os-U

Con figuration-of communication-with-osin strum ents ed ed before the proto col ο -IEEE4 8 8 _U

Transmission of detention-to-source-reading · simult an ea of the deta ns d _{: current} ₌ temperature and radiation through the multimeters.U

C on stru ction of the c ο-IV ^1-

Data-storageU

FT \ K

FIGURE 09

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6/7

FIGURE 10

FIGURE 11

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7/7

Current supplied to the load

6 8 10 12 14 16 18 20

Hour of the day [h]

FIGURE 12

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