ES1268314U - Sistema fotovoltaico flotante para modulos bifaciales - Google Patents

Abstract

Sistema de generación de energía solar flotante cuya geometría de cada módulo (denominado "string") es equivalente a la de una embarcación con tres cascos longitudinales (denominado "trimarán") formados por flotadores (1), cada una de estas líneas de flotación contienen una viga principal (2) y unas diagonales (5) para inclinar los paneles al ángulo correcto. Sobre este conjunto se apoya una estructura formada por cuatro a seis filas de paneles solares en función de las necesidades de cada proyecto. Estas filas de paneles quedan reforzadas por las barras de arriostramiento (6) que salen del casco central hasta las secundarias más elevadas y que ayudan a aguantar cargas de flexión que se ejercen sobre la estructura. Dichos strings son unidades indivisibles que se pueden colocar en serie (Norte-Sur) o paralelo (Este-Oeste) tantas veces como sea necesario para cubrir la superficie del proyecto, evitando tocar el agua salvo a través de los flotadores.

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE PARA MÓDULOS BIFACIALES

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención pertenece al campo de la ingeniería y del campo de energía fotovoltaica.

El objeto de la presente invención es un nuevo producto solar flotante dotado por un sistema de flotación de plástico y una estructura metálica (de acero galvanizado, acero al Magnesio o aluminio) que garantiza una inclinación óptima de los paneles solares reduciendo considerablemente la cantidad de estructura en contacto directo con el agua a la vez que permite la utilización de paneles bifaciales con una refrigeración máxima.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Por un lado, encontramos un producto de generación de energía solar sobre tierra o sobre tejados de edificios ya extensamente instalado y explotado. La limitación principal de los sistemas solares sobre tierra es la necesidad de disponer de un suelo donde realizar la instalación.

Actualmente, debido a la sobrepoblación del planeta, encontramos un sinsentido utilizar terrenos que pueden ser explotados para agricultura o zonas de viviendas dedicados a generación de energía habido otras opciones más sostenibles. Si comentamos las estructuras sobre tejados, la mayor desventaja es el costoso mantenimiento de los tejados y el estado de muchos tejados donde se realizan estas instalaciones elevando la inversión de la estructura al tener que actualizar dichas superficies.

Teniendo en cuenta esta situación y limitaciones de los sistemas de generación de energía fotovoltaica más comunes, existe una alternativa de instalaciones sobre agua. Las soluciones que se encuentran en el mercado son estructuras simplificadas a una estructura típica sobre tejado que se tiene que hacer flotar, obviándose otros requerimientos necesarios para garantizar un retorno de la inversión, una garantía de calidad al cliente y una sostenibilidad medioambiental.

El producto estándar de estructuras flotantes de generación solar es una estructura de flotadores de plástico que aseguran la flotación del conjunto, sobre los cuales se añaden paneles solares. Estos sistemas crean una red de cubos de plástico que cubre casi por completo la superficie de agua, disminuyendo la luz incidente y, por tanto, reduciendo los nutrientes de esta agua.

Estos flotadores son elementos estándar con un ángulo de inclinación de paneles fijo (max 12°) y conservador. Esto genera una disminución considerable de generación de energía ya que no se encuentran los paneles solares en su inclinación óptima.

Por otro lado, otra naturaleza de estructuras es un conjunto de estructuras de flotación a la que se le une una estructura de plástico o composite donde van unidos los paneles solares. Por norma general las estructuras flotantes se generan por filas, por lo que los paneles tienen una cantidad importante de sombra bajo ellos que impide la correcta utilización de paneles bifaciales.

Ambas tipologías cuentan con material por debajo de los paneles por lo que el mantenimiento de la estructura es más costoso por la dificultad de acceso a limpieza y control de los componentes, así como a la limpieza y mantenimiento de la propia balsa. La refrigeración de los paneles está limitada al tener material debajo de estos, por lo que no es recomendable utilizar paneles bifaciales.

Respecto a las tipologías mencionadas, el solicitante es conocedor del registro de diferentes patentes y modelos de utilidad, entre los que se podría destacar: ES-2689653_T3; ES-2634318_T3; ES-2366960_T3, ES-1168858_U o ES-2716813_A1, entre otras.

Actualmente no existe ningún diseño que permita optimizar la refrigeración de los paneles, utilizar paneles bifaciales sin crear sombras bajo ellos o controlar la calidad del agua por limitar el material en contacto con ella. Por supuesto, las estructuras de plástico no pueden colocarse al ángulo de apuntamiento adecuado debido a que no soportarían el viento normativo de cálculo en casi ninguna localización.

En la actualidad, ningún diseño protege la biodiversidad del agua, ya que, si se tapa más de un 60% de la superficie, la flora y fauna sufren un daño muy importante.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

En busca de dar solución a los problemas de biodiversidad y de rentabilidad de inversión se define la siguiente estructura metálica flotante que sólo toca como máximo el 8% de la superficie del agua con el plástico y que permite disponer paneles bifaciales horizontalmente en filas a una distancia suficiente como para que la luz incida en el agua. Por un lado, se refleja hacia los paneles, libres de cualquier interferencia que cause puntos calientes en ellos, aumentando la producción de energía frente a los sistemas actuales.

Por otro lado, la luz se refracta hacia el agua permitiendo que se sigan generando nutrientes. De esta forma, se puede preservar la biodiversidad de las zonas de agua, siempre en consonancia con la producción energética. Este espacio entre filas no está permanentemente tapado como en otros sistemas, sino que una pasarela temporal, sujeta en el extremo del string de forma habitual, se despliega en caso de necesidad de mantenimiento.

El ángulo de los paneles, gracias a una estructura metálica, permite maximizar la energía frente a los productos existentes en plástico. La altura sobre el agua y el diseño en forma de “trimaran” (embarcación con tres cascos) permite que el viento pase bajo los paneles acelerándose y generando una convección forzada que refrigera aún más los paneles. Además, cuenta con zonas adyacentes diseñadas para que aves y otros animales puedan coexistir sin dañar los paneles. Esta estructura puede tener motorización para hacer seguimiento solar, tanto de elevación como de azimut.

En resumen, este sistema de generación de energía solar flotante tiene una geometría que permite maximizar la energía, en una combinación de ganancia debido a la inclinación de paneles, a la bifacialidad y a la refrigeración, que no existe en el mercado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para contextualizar las explicaciones del diseño preferente, se adjuntan, con carácter informativo, pero no limitativo, una serie de figuras al final de este documento.

Figura 1: se puede ver el sistema modular mínimo.

Figura 2: se puede ver que en el extremo de la viga principal (1) se colocan unos grilletes (7) a los que se atan los cabos o líneas de amarre, que van a los anclajes de tierra.

Figura 3: se muestran las uniones internas de la planta, es decir, entre los diferentes módulos o strings.

Figura 4: se muestra un sistema adyacente de apoyo a la biodiversidad de la zona. Figura 5: se muestra una vista lateral del módulo o string.

Figura 6: se muestra una vista frontal del módulo o string.

En la figura 1 se puede ver el sistema flotante mínimo, capaz de soportar de 4 a 6 filas de paneles, en función del voltaje de la obra. Por tanto, este módulo mínimo, también denominado "string”, se puede escalar tantas veces como sea necesario. La geometría se basa en 3 cascos o líneas de flotadores (1), que incluyen, cada uno, una viga principal (2) y unas diagonales (5) para inclinar los paneles al ángulo correcto. Uniendo los tres cascos, se encuentran las vigas secundarias (3), dos en cada fila de paneles. Sobre estas últimas se encuentran las vigas de panel (4), que pueden tener diferente geometría en función del tipo de panel a sujetar y son dos unidades por cada panel. Para soportar cargas de flexión se colocan barras de arriostramiento (6), que salen del casco central hacia las secundarias más elevadas.

Tal como se muestra en la figura 2, en el extremo de la viga principal (1) se colocan unos grilletes (7) a los que se atan los cabos o líneas de amarre, que van a los anclajes de tierra. En los extremos de los strings, aparecen las uniones generales Norte-Sur (8) y las Este-Oeste (9), que unen unos strings con otros, como se puede ver en la figura 3. De nuevo, todas las uniones son metálicas.

En la figura 1 se puede ver el sistema flotante mínimo o indivisible, capaz de soportar de 4 a 6 filas de paneles, en función de la obra. Por tanto, este módulo mínimo, también denominado “string”, se puede escalar tantas veces como sea necesario, en serie o paralelo. La geometría básica indivisible se basa en 3 cascos o líneas de flotadores (1), que incluyen, cada uno, una viga principal (2) y unas diagonales (5) para inclinar los paneles al ángulo correcto. Uniendo los tres cascos, se encuentran las vigas secundarias (3), dos en cada fila de paneles. Sobre estas últimas se encuentran las vigas de panel (4), que pueden tener diferente geometría en función del tipo de panel a sujetar y son dos unidades por cada panel.

Para soportar cargas de flexión se colocan barras de arriostramiento (6), que salen del casco central hacia las secundarias más elevadas.

El sistema de flotadores (1) son los que dan flotación al conjunto, mientras que la estructura metálica formadas por el conjunto de vigas (2) al (6) permite posicionar los paneles solares a un ángulo óptimo y aguantar las cargas de viento que esta inclinación genera.

Las uniones entre los componentes metálicos como son el conjunto de vigas (2) al (6) como las uniones de la viga principal (2) con el flotador (1) son uniones atornilladas metálicas, bien pueden ser uniones en inoxidable como en galvanizado en caliente según condiciones de corrosión de cada una de las localizaciones de cada proyecto. Las uniones entre la estructura metálica y los paneles pueden ser por medio de uniones atornilladas o por medio de grapas de fijación de paneles solares.

Tal como se muestra en la figura 2, en el extremo de la viga principal (1) se colocan unos grilletes (7) a los que se atan los cabos o líneas de amarre.

En los extremos de los strings, aparecen las uniones generales Norte-Sur (8) y las Este-Oeste (9), que unen unos strings con otros, como se puede ver en la figura 3. Estas uniones permiten cierto ángulo de libertad entre cada string, lo que posibilita a la planta adaptarse al relieve del fondo, en caso de sequía. Además, también posibilita que la estructura se posicione sobre los taludes de la balsa en momentos en los que el nivel del agua sea bajo. Todas las uniones son metálicas.

Las uniones de amarre están definidas desde el grillete (7) posicionado en el extremo de las vigas principales (2), al que va unido una línea de amarre o cabo y de ahí depende de la naturaleza de la balsa se puede hacer un amarre por fondeo que consiste en una línea de amarre flexible que pueda absorber corriente del embalse y un muerto de hormigón que garantice la limitación de movimiento de la estructura. Por otro lado, puede realizarse un amarre a orilla de la balsa cuando la estructura se encuentra cerca de la orilla, en este caso, la línea de amarre o cabo iría unido a una cimentación en tierra.

Según los requerimientos técnicos del proyecto y localización de éste, la geometría de los flotadores (1) puede variar ligeramente aumentando o disminuyendo el volumen para otorgarle al sistema más o menos capacidad de flotación teniendo en cuenta las cargas de viento, nieve o corrientes del lugar.

Dichos flotadores (1) tendrán una orientación Norte-Sur para optimizar la geometría del diseño beneficiándose del espacio libre que crea la estructura metálica con la superficie de agua provocando una refrigeración forzada de los paneles mejorando sus condiciones de trabajo y así también generando mayor rendimiento energético y aumentando la vida de dichos paneles solares.

Como se observa en la figura 1, gracias a no entrar ningún obstáculo entre la superficie de agua y la cara posterior de los paneles, se posibilita la instalación de paneles bifaciales y así poder beneficiarse de su generación de energía en ambas caras. Importante mencionar que, gracias a las características de flexión de la superficie del agua, el rendimiento de un panel bifacial puede ser muy interesante en esta naturaleza de proyecto ya que la generación extra que genera la cara B puede acortar considerablemente los tiempos de retorno de inversión gracias a esa generación extra de energía.

En la vista lateral de la figura 5, se ven los pasillos de mantenimiento, con espacio suficiente para acceder a cualquier panel de la planta, este espacio permite que un operario acceda por medio de estos pasillos a cualquier posición de la balsa para realizar comprobaciones en la estructura, limpiezas en los paneles o cambio de Éstos en el caso de estar dañados.

Además, gracias a la entrada de luz por estos pasillos se permite que la luz incida en el agua creando una reflexión sobre la cara B del panel solar bifacial y así originar en torno a un 15% más de energía.

Decir que tanto los espacios entre filas como los huecos entre cascos permiten que el viento pase bajo los paneles, a diferencia de otros diseños, cuyos sistemas de flotación son transversales y tapan el flujo de aire. Con este conducto, se genera una convección forzada de aire que refrigera aún más los paneles.

Estos espacios entre filas también permiten la entrada de luz en el agua y así garantizar el mínimo impacto de la estructura en la calidad del agua, esto permite controlar la generación de nutrientes en el agua, reproducción de algas y otras plantas acuáticas y demás animales que desarrollen su vida entorno a dicha localización.

En la figura 6 se puede ver una de las mayores ventajas de este modelo. Los tres cascos permiten que el diseño toque el agua lo mínimo posible (8%) como para que flote ante las peores circunstancias de viento, nieve y demás combinaciones de la normativa vigente. Esto facilita la limpieza de la balsa reduciendo costes de mantenimiento de la balsa y de la propia estructura.

En los extremos de la planta, se disponen las estructuras flotantes (Figura 4) utilizadas para colocar los nidos y hoteles de insectos, cuando el proyecto lo requiere. Estas estructuras están conectadas a los strings a través de las vigas principales (1) de la misma forma que cualquier string. De esta manera, las aves de la zona podrán anidar sin deteriorar los paneles solares apoyándose en ellos. Con esto, se busca redirigir a las especies del entorno sin alterar sus rutinas y a su vez, mejorar la limpieza de la estructura.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de generación de energía solar flotante cuya geometría de cada módulo (denominado “string”) es equivalente a la de una embarcación con tres cascos longitudinales (denominado “trimarán”) formados por flotadores (1), cada una de estas líneas de flotación contienen una viga principal (2) y unas diagonales (5) para inclinar los paneles al ángulo correcto. Sobre este conjunto se apoya una estructura formada por cuatro a seis filas de paneles solares en función de las necesidades de cada proyecto. Estas filas de paneles quedan reforzadas por las barras de arriostramiento (6) que salen del casco central hasta las secundarias más elevadas y que ayudan a aguantar cargas de flexión que se ejercen sobre la estructura.

Dichos strings son unidades indivisibles que se pueden colocar en serie (Norte-Sur) o paralelo (Este-Oeste) tantas veces como sea necesario para cubrir la superficie del proyecto, evitando tocar el agua salvo a través de los flotadores.

2. Sistema de generación de energía solar flotante según la reivindicación 1, en el que los flotadores (1) sólo aportan flotabilidad, siendo el conjunto de vigas (2) a (6) el que transmite cargas desde los paneles inclinados y permiten esta posición de inclinación de estos paneles solares.

3. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 2 en el que todos los elementos se unen mediante uniones atornilladas en acero inoxidable o galvanizado en caliente, salvo los paneles, que pueden anclarse a las vigas de panel (4) mediante grapas especiales para paneles solares.

4. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 3 en el que los extremos de las vigas principales (2) cuentan con una unión de grilletes de amarre (7) a los que unimos el cabo de amarre o líneas de amarre que garantiza la óptima posición de la planta fotovoltaica flotante sobre la superficie de agua.

5. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 4 en el que los strings se conectan entre sí a través de las uniones (8) y (9) para cubrir la superficie requerida en cada proyecto, estas uniones pueden ser tanto de Norte-Sur como de Este-Oeste dependiendo de las dimensiones de la balsa donde tenga lugar el proyecto. El diseño de estas uniones permite un ángulo de libertad entre strings permitiendo a la estructura apoyarse en zonas de taludes y otras estribaciones del fondo en caso de que el reservorio de agua se seque. Las uniones entre strings son uniones atornilladas en inoxidable o galvanizadas en caliente.

6. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 5 en el que el amarre de la estructura está definido desde la unión de la viga principal (2) con el grillete de amarre (7) al que se une el cabo o línea de amarre. De aquí, dependiendo de la naturaleza de la balsa donde se realiza la construcción, tiene la posibilidad de ejecutar un amarre de fondeo por medio de una línea de amarre flexible que permite absorber parte de las corrientes del embalse y a continuación la unión con un muerto de hormigón o un amarre a la orilla de la balsa por medio de zapatas de cimentación.

7. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 y 6, en el que la geometría de los flotadores varía para adaptarse a las combinaciones de cargas como pueden ser viento, nieve o corriente. Dichos flotadores tienen una orientación Norte-Sur para maximizar la captación solar de los paneles mediante la refrigeración forzada del viento debido al espacio libre entre el agua, los flotadores y los paneles solares.

8. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 7 que permite gracias al espacio libre de obstáculos utilizar paneles bifaciales generando de este modo un mayor rendimiento a la estructura. Debido a no entrar ningún elemento entre la superficie de agua y la cara B del panel no se generan puntos de calor o estrangulamiento del paso de energía por los paneles por lo que se posibilita y recomienda la utilización de paneles con captación de energía solar por ambas caras.

9. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 8 en el que la apertura entre filas de paneles y la altura de los paneles respecto a la superficie del agua tiene una triple función: a nivel de mantenimiento, se asegura un espacio suficiente para acceder a cualquier panel solar a través de pasarelas temporales de acceso; a nivel de rendimiento energético, la luz reflejada en el agua incide sobre la cara posterior del panel bifacial y, a nivel medioambiental, la luz refractada en el agua ayuda a mantener el nivel de nutrientes.

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10. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 9 en el que la superficie en contacto con el agua se limita al 8% de la totalidad del sistema para garantizar mínimo coste de mantenimiento de la estructura y facilidad de acceso a la base de la balsa para su limpieza.

11. Sistema de generación de energía solar flotante según las reivindicaciones 1 a 10 en el que se suministra un sistema flotante adyacente al conjunto de strings o trimaranes, que va unido a los mismos y que permite mantener el ecosistema de la zona a través de nidos u hoteles de insectos y mejorar la limpieza de la estructura principal y de los paneles solares.