BR102021021630A2 - Seguidor solar pneumático de um grau de liberdade - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um seguidor solar de um grau de liberdade que compreende um sistema de atuação com tecnologia pneumática que rotaciona uma pluralidade de painéis fotovoltaicos por meio de um mecanismo que utiliza atuadores pneumáticos lineares (232) com suas extremidades articuladas e estrutura principal do tipo monoposte (212) articulada em sua extremidade superior. A unidade de geração e tratamento de ar comprimido fica localizada em um cubículo metálico (100) e fornece uma fonte de potência para os atuadores pneumáticos (232) os quais podem ser controlados por diferentes arranjos de válvulas pneumáticas. O sistema de atuação é responsável por manter os painéis fotovoltaicos (222) com orientação perpendicular aos raios do sol. O funcionamento do sistema consiste em o controlador digital (238) comparar os dados recebidos do sensor de posição angular (234) com a posição desejada para o período do dia e, caso exista erro, o controlador envia sinais elétricos para válvulas pneumáticas que controlam a entrada e saída de ar comprimido nas câmaras dos atuadores pneumáticos lineares (232), resultando em uma rotação parcial da pluralidade de painéis fotovoltaicos.

Description

SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM GRAU DE LIBERDADE Campo da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um seguidor solar pneumático de um grau de liberdade. Mais especificamente um seguidor com sistema de controle pneumático que possibilita a rotação de uma pluralidade de painéis solares (fotovoltaicos) em torno de um dado eixo pivotante, possibilitando o alinhamento perpendicular dos painéis solares com a posição dos raios do sol ao longo do dia. O alinhamento é feito por meio da variação contínua do ângulo leste-oeste de uma pluralidade de painéis solares. Os principais componentes do sistema de rotação dos painéis são atuadores lineares pneumáticos controlados por válvulas direcionais ou válvulas direcionais proporcionais. O controle do sistema é feito através de um algoritmo de controle embarcado em um controlador digital, o qual recebe sinais dos sensores e envia sinais de controle para os demais componentes.

Fundamentos da invenção

[002] Devido à rotação do sol ao longo do dia, as usinas solares fixas possuem produção variável de energia elétrica, a qual usualmente apresenta forma de um sino, onde a produção máxima usualmente ocorre próximo ao meio dia. Já nos períodos da manhã e da tarde a produção é reduzida devido à angulação entre a posição do sol e as placas solares, a qual deveria ser, preferencialmente, perpendicular

[003] Desta forma, diversas configurações de seguidores solares estão à disposição no mercado. De modo geral, existem dois grandes grupos de seguidores solares: seguidores com um ou dois graus de liberdade. Seguidores solares com dois graus de liberdade possuem a capacidade de se ajustar na posição leste-oeste (movimento diário) e também na posição norte-sul (movimento sazonal), portanto, são capazes de maximizar a produção energética. Porém, o nível de complexidade dos mecanismos envolvidos e os inerentes custos associados à aquisição, instalação e manutenção reduzem a relação de custo-benefício destas soluções.

[004] Já os seguidores com apenas um grau de liberdade possuem uma concepção consideravelmente mais simples, o que aumenta sua relação custo-benefício. Por isso, são as soluções mais utilizadas em grandes usinas solares. Ao que tange a sistema de atuação, duas soluções são usualmente aplicadas: • Atuadores lineares: Utilizam atuadores elétricos ou hidráulicos, os quais são conectados entre os painéis e uma superfície fixa; • Motoredutores: Um motor elétrico aciona uma engrenagem do tipo rosca-sem-fim, a qual transmite torque diretamente ao eixo de giro dos painéis.

[005] O documento BR 202015013022-3 U2 apresenta um seguidor solar com um grau de liberdade que pode ser instalado em terrenos com inclinações de até 15 graus em relação à horizontal. A movimentação ocorre por meio de um motoredutor que rotaciona uma árvore de giro, a qual transmite torque longitudinalmente para uma pluralidade de painéis. Destaca-se que o mecanismo proposto pelo referido documento faz uso de motores elétricos com redutores mecânicos para a movimentação da pluralidade de painéis, porém, o estado natural de motores elétricos é o fornecimento de torque durante o movimento, e não em condição estacionária, o que requer o uso de travas mecânicas ou mecanismos autotravantes para a manutenção da pluralidade de painéis em condições estacionárias ao longo do dia.

[006] O documento BR 102016019362-1 A2 apresenta um seguidor solar de um grau de liberdade acionado por um motor elétrico acoplado a um grande arco de engrenagem. O movimento rotacional é transmitido aos painéis solares por meio de uma barra de ligação pivotada entre o arco de engrenagem e os painéis solares. A solução permite que vários eixos sejam acionados simultaneamente pelo mesmo motor elétrico. Porém, semelhante ao documento BR 202015013022-3 U2, o uso de motores elétricos requer o uso de sistemas de autotravamento.

[007] O documento BR 102018016792-8 A2 apresenta um seguidor solar de dois graus de liberdade que faz uso do princípio de um giroscópio para movimentações leste-oeste e norte-sul. A movimentação ocorre por meio de dois motoredutores, cada um responsável por um grau de liberdade. Dentre as desvantagens da solução, destaca-se o uso de motores elétricos, os quais não são ideais para este tipo de aplicação, e também, a escalabilidade da solução, a qual a restringe para aplicações com quantidade reduzida de painéis solares.

[008] O documento BR 102018076141-2 A2 apresenta um seguidor solar que opera por dilatação térmica. A movimentação dos painéis solares ocorre por meio de dois captadores térmicos, um deles voltado para o lado leste e o outro para o lado oeste. Cada captador está conectado em um pistão que irá se estender ou retrair proporcionalmente ao calor captado, sem haver a necessidade de utilizar energia elétrica para movimentação e controle do sistema. O presente pedido de patente diferencia-se do referido documento pelo fato de utilizar um sistema ativo de controle de posição, fornecendo, de modo controlado, ar comprimido oriundo de um reservatório, garantindo que a movimentação de uma pluralidade de painéis irá ocorrer sempre que necessário, independentemente da existência ou não de uma fonte externa de calor.

[009] O documento WO2018167643A1 apresenta um seguidor solar de um grau de liberdade acionado por um atuador linear elétrico. A rotação dos painéis é produzida por uma árvore de giro baseada em mecanismo construído com chapas metálicas em formato semicircular, fazendo a interface entre as partes móveis e fixas do sistema. Além disso, este dispositivo funciona como um braço de alavanca onde é conectado o atuador elétrico. Este atuador é também conectado no poste de sustentação da estrutura. O mecanismo proposto neste documento apresenta alta rigidez porém tem elevada dificuldade de fabricação dos semicírculos devido a necessidade de curvar chapas metálicas de elevada espessura.

[010] O documento BR 112019021722-3 A2 apresenta um seguidor solar de um grau de liberdade acionado por dois foles pneumáticos especialmente desenvolvidos para aplicação em painéis solares. A pressurização/despressurização controlada de cada par de foles permite a rotação de uma pluralidade longitudinal de painéis solares. Destacase que o presente pedido de patente se diferencia do referido documento pelo fato de utilizar atuadores pneumáticos lineares para a movimentação de uma pluralidade de painéis, enquanto que o referido documento faz uso de foles pneumáticos. Além disso, o presente pedido de patente apresenta diferentes arranjos de válvulas pneumáticas, cujos quais utilizam válvulas proporcionais de vazão e de pressão para o posicionamento intermediário dos atuadores pneumáticos.

[011] Mesmo proporcionando uma maior produção de energia elétrica em relação aos sistemas estáticos, os seguidores solares disponíveis no mercado apresentam as seguintes desvantagens:
• Em grandes plantas, a complexidade dos componentes de atuação aumenta a dificuldade de fabricação e de manutenção;
• Complexidade de integração dos sistemas de atuação e estruturas mecânicas, geralmente necessitando de mecanismo de acoplamento com elevada complexidade;
• Terreno onde os sistemas tradicionais são instalados possui baixa tolerância de variações de altura, ou seja, o terreno deve ser plano e não apresentar variações relevantes de altura.
• Necessidade do uso de complexa eletrônica de potência para atuar motores elétricos ou longas tubulações contendo óleo mineral, as quais têm risco de explosão caso o óleo superaqueça.

Solução da invenção

[012] A presente invenção contribui para a solução das limitações dos sistemas atualmente existentes. O seguidor solar é composto por atuadores pneumáticos lineares responsáveis pela movimentação de uma pluralidade de painéis solares. O posicionamento intermediário do atuador pneumático é possível devido aos arranjos de válvulas pneumáticas utilizados. Um deles é composto por uma válvula direcional pneumática com acionamento discreto (do tipo abre e fecha) operando em conjunto com 2 válvulas reguladoras de vazão. Desta forma, é possível obter valores muito baixos de vazão de ar comprimido, possibilitando que paradas intermediárias em um atuador pneumático sejam obtidas utilizando componentes pneumáticos convencionais e de baixo custo. Um segundo arranjo possível é o uso de válvulas proporcionais redutoras de pressão, que regulam uma pressão desejada em cada câmara dos atuadores de modo a obter o posicionamento intermediário do mesmo, neste caso, devido à característica proporcional das válvulas reguladoras de pressão, não há necessidade de válvulas reguladoras de vazão. O terceiro arranjo possível é por meio de válvulas proporcionais, onde a vazão de ar que entra e sai das câmaras dos atuadores é regulada de modo proporcional para obter a posição intermediária desejada, novamente, devido à característica proporcional das válvulas, não há necessidade de válvulas reguladoras de vazão. Além disso, o uso de atuadores pneumáticos com amortecedores de final de curso garante a movimentação suave da pluralidade de painéis em eventuais condições de emergência, tais como tempestades e vendavais.

[013] A estrutura de instalação é do tipo monoposte, ou seja, apenas um perfil vertical é utilizado para fixar uma pluralidade de painéis dispostos longitudinalmente. Os painéis solares são fixados nos braços de giro, os quais são pivotados nos postes de fixação por meio de uma articulação. Esta última, se desejável, pode ser confeccionada com uma inclinação de até 7,5 graus no sentido norte-sul. Caso seja optado por instalar a pluralidade de painéis solares com uma angulação norte-sul de até 7,5 graus, utiliza-se divisões longitudinais da pluralidade dos painéis, de modo a reduzir a altura necessária para os postes de fixação

[014] Os atuadores pneumáticos são conectados no poste vertical (estrutura fixa) e nos braços de giro (estrutura móvel). No poste vertical é utilizada uma articulação fêmea, onde é conectada a parte traseira do atuador. No braço de giro é também utilizada uma articulação fêmea, onde é conectada à haste do atuador pneumático utilizando uma ponteira rotulada, a qual garante o funcionamento com desníveis de até 7,5 graus.

[015] Um dispositivo eletrônico é utilizado para fazer a medição da angulação atual no sentido leste-oeste. Por meio de um algoritmo especialmente desenvolvido para esta aplicação, compara-se a posição desejável para os painéis com base na hora, dia e localização dos painéis solares. Além disso, um dispositivo para medição em tempo real da velocidade do vento é utilizado para colocar a pluralidade de painéis em uma posição segura caso a velocidade do vento ultrapasse a velocidade nominal.

[016] A solução apresentada tem como principal fonte de movimento a diferença de pressão entre as câmaras dos atuadores pneumáticos lineares. Através do algoritmo de controle e em conjunto com as válvulas pneumáticas, o sistema é capaz de encontrar a diferença de pressão necessária para o controle do sistema e operar na menor faixa de pressão possível. Desta forma, obtém-se economia de energia e aumento da eficiência do sistema, além de diminuir o efeito de vazamentos no sistema de produção e controle do ar comprimido.

Vantagens da invenção

[017] Face ao exposto, ressalta-se as seguintes vantagens do sistema proposto:
• Sistema de atuação composto por componentes simples e de baixo custo;
• Suavidade do movimento em eventuais tempestades e vendavais garantida pelos amortecedores de final de curso dos atuadores pneumáticos, mesmo em condições de falta de energia elétrica;
• A complacência do ar comprimido diminui os esforços transmitidos à estrutura metálica, pois os atuadores pneumáticos operam como amortecedores;
• Permite a angulação norte-sul da pluralidade de painéis;
• Em caso de fortes vendavais, o sistema de controle posiciona automaticamente a pluralidade de painéis em uma posição segura (horizontal, por exemplo) de modo a reduzir os esforços causados na estrutura mecânica;
• Modularidade permite instalação na maioria dos terrenos;
• Redução dos custos de manutenção;
• Maior simplicidade dos processos de instalação e manutenção;
• O uso de tubulações flexíveis para transmissão de ar comprimido facilita as atividades de instalação e manutenção.

Descrição da invenção

[018] O seguidor solar pneumático de um grau de liberdade é descrito detalhadamente com base nos desenhos em anexo, os quais são listados abaixo:
Figura 1 - Vista geral de dois conjuntos de painéis solares;
Figura 2 - Vista isométrica de um conjunto de painéis solares;
Figura 3 - Vista lateral do mecanismo do seguidor solar pneumático;
Figura 4 - Vista frontal do sistema de atuação;
Figura 5 - Diagrama pneumático da realização que utiliza válvulas proporcionais de pressão;
Figura 6 - Diagrama pneumático da realização que utiliza válvulas proporcionais de vazão;
Figura 7 - Diagrama pneumático da realização que utiliza válvulas discretas;
Figura 8 - Diagrama pneumático da unidade de geração e tratamento de ar comprimido;
Figura 9 - Arquitetura do sistema de controle de ângulo dos painéis solares;

[019] A Fig. 1 é uma vista geral de uma modalidade do seguidor solar pneumático onde são apresentados dois conjuntos de painéis (200), com apoios monoposte e um cubículo metálico (100) onde está localizada unidade de geração e tratamento de ar comprimido e o controlador digital.

[020] Na Fig. 2 é apresentada uma vista isométrica de um conjunto de painéis solares (200), que possui articulações (228) no topo dos monopostes (212) as quais possibilitam a rotação dos painéis solares (222) fixados nas travessas (224). Acoplado ao eixo transversal de rotação (226) está o sensor de deslocamento angular (234), o qual é fixado ao monoposte (212) por meio de um suporte metálico (214). As válvulas de controle (242 ou 252 ou 262), responsáveis pelo posicionamento intermediário dos atuadores (232), são localizadas no painel de controle (216) que é fixado ao monoposte (212).

[021] Na Fig. 3 é apresentada uma vista lateral do mecanismo do seguidor solar pneumático. A rotação dos painéis solares (222) é feita pelos atuadores lineares pneumáticos (232) articulados nas travessas (224), por meio de uma ponteira rotulada (227), e no monoposte (212), por meio de uma articulação simples (229).

[022] Na Fig. 4 é apresentado em detalhe o mecanismo que possibilita a inclinação nortesul de um conjunto de painéis (200). A qual é realizada pela ponteira rotulada (227) fixada na haste dos atuadores pneumáticos lineares (232). Este mecanismo também absorve pequenos desalinhamentos de fabricação, facilitando a montagem do sistema.

[023] A Fig. 5 apresenta a primeira realização do sistema de atuação pneumático para controle de posições intermediárias dos atuadores lineares de dupla ação (232). As válvulas proporcionais redutoras de pressão (262) realizam o controle da entrada e saída de ar comprimido por meio de uma malha de controle, implementada no controlador digital (238), que transforma o erro de posição angular em um sinal de referências de pressão para as válvulas (262);

[024] A Fig. 6 apresenta a segunda realização do sistema de atuação pneumático para controle de posições intermediárias dos atuadores lineares de dupla ação (232). As válvulas proporcionais (252) realizam o controle da entrada e saída de ar comprimido por meio de uma malha de controle, implementada no controlador digital (238), que transforma o erro de posição angular em um sinal de referência para as válvulas (252);

[025] A Fig. 7 apresenta a terceira realização do sistema de atuação pneumático para controle de posições intermediárias dos atuadores lineares de dupla ação (232). A válvula direcional (242) realiza o controle da entrada e saída de ar comprimido por meio de uma malha de controle, implementada no controlador digital (238), que transforma o erro de posição angular em um sinal de controle para a válvula direcional (242). As válvulas reguladoras de vazão (244) reduzem a vazão de ar que entra e sai dos atuadores lineares de dupla ação (232), possibilitando seu controle de posição intermediário para movimentos de baixa velocidade;

[026] A Fig. 8 apresenta a unidade de geração e tratamento de ar comprimido, onde o compressor (110) succiona ar a pressão atmosférica e armazena no reservatório (120) em uma pressão de até 10 bar. A válvula de segurança (130) descarrega, parcialmente, o reservatório (120) em caso de sobrepressão. A válvula de alimentação (140) pressuriza (ou despressuriza) a linha de suprimento de ar comprimido para as válvulas de controle (242 ou 252 ou 262). O filtro coalescente (150) remove impurezas e umidade do ar comprimido e a válvula reguladora de pressão (160) possibilita a regulagem da pressão de suprimento para as válvulas de controle (242 ou 252 ou 262).

[027] A Fig. 9 apresenta a arquitetura do sistema de controle de ângulo dos painéis solares, onde o sensor de posição angular (234) mede, em tempo real, o ângulo lesteoeste de uma pluralidade de painéis solares e o sensor de velocidade de vento (236) é utilizado para posicionar a pluralidade de painéis paralelamente ao solo durante a noite e também em vendavais. O controlador digital (238) recebe e processa as informações dos sensores e envia o sinal de controle para as válvulas de controle (242 ou 252 ou 262).

Claims (8)

1. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO caracterizado por utilizar atuadores pneumáticos lineares (232) para controlar a posição angular de uma pluralidade de painéis fotovoltaicos (222), sendo composto por atuadores pneumáticos lineares (232), válvulas pneumáticas (130, 140 e 160), um filtro de ar comprimido (150), um controlador digital (238) e um dispositivo de medição de posição angular (234), tendo como fonte de potência um compressor de ar (110) .
2. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar válvulas pneumáticas direcionais com acionamento discreto, do tipo abre e fecha (242) e o circuito pneumático apresentar duas válvulas reguladoras de vazão (244).
3. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar válvulas pneumáticas proporcionais reguladoras de pressão (262).
4. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar válvulas pneumáticas proporcionais reguladora de vazão (252).
5. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado por utilizar atuadores pneumáticos de dupla ação (232).
6. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado por utilizar atuadores pneumáticos simples ação com retorno por mola (232).
7. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir mecanismo de movimentação baseado em uma estrutura metálica do tipo monoposte (212), com articulações nas extremidades dos atuadores (232) e em ao menos dois pontos do poste e com ambos os elementos conectados por travessas metálicas, onde as articulações (227) têm dois graus de liberdade e são compostas por pino e garfo em uma das extremidades do atuador e ponteira terminal rotulada na outra.
8. SEGUIDOR SOLAR PNEUMÁTICO DE UM EIXO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma estrutura do tipo monoposte (212) que por meio de terminais rotulares (227) instalados na haste dos atuadores pneumáticos (232), possibilita que o equipamento possa ser instalado com inclinação de até 7,5° em relação ao solo.

Images