ES2268728T3 - Conjunto fotovoltaico para recubrimiento de tejados, autolastrado y ligero. - Google Patents
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Abstract
UN MONTAJE DE TEJADO FOLTOVOLTAICO COMPRENDE UNA MEMBRANA DE TECHADO (102), UNA PLURALIDAD DE MODULOS FOTOVOLTAICOS (104, 106, 108) DISPUESTOS COMO UNA CAPA ENCIMA DE LA MEMBRANA DE TECHADO (102), Y UNA PLURALIDAD DE SEPARADORES, PEDESTALES O SOPORTES PREFORMADOS (112, 114, 116, 118, 120, 122) QUE SE DISPONEN RESPECTIVAMENTE POR DEBAJO DE LA PLURALIDAD DE MODULOS FOTOVOLTAICOS (104, 106, 108) Y DE FORMA INTEGRAL CON LOS MISMOS, O FIJADOS A LOS MISMOS. SE DISPONEN SEPARADORES (112, 114, 116, 118, 120, 122) ENCIMA DE LA MEMBRANA DE TECHADO (102). LA MEMBRANA (102) ESTA SOPORTADA SOBRE UN ARMAZON DE TEJADO CONVENCIONAL, Y ESTA SUJETA AL MISMO MEDIANTE METODOS CONVENCIONALES. EN UNA REALIZACION ALTERNATIVA, EL MONTAJE DE TEJADO PUEDE TENER UN BLOQUE DE AISLAMIENTO (322) DEBAJO DE LOS SEPARADORES (314, 314'', 315, 315''). LA GEOMETRIA DE LOS SEPARADORES PREFORMADOS (112, 114, 116, 118, 120, 122, 314, 314'', 315, 315'') ES TAL QUE LA PRUEBA DEL TUNEL DE VIENTO HA MOSTRADO SU EFECTIVIDAD MAXIMA EN LAREDUCCION DE LAS FUERZAS ASCENSIONALES DEL VIENTO SOBRE EL MONTAJE COMPLETO. LA CONSTRUCCION DA COMO RESULTADO UN MONTAJE DE TEJADO SIMPLE, LIGERO, AUTOLASTRABLE, FACILMENTE ENSAMBLADO QUE AGUANTA LAS FUERZAS DE ELEVACION DEL VIENTO SIN UTILIZAR PENETRACIONES DE TECHADO.
Description
Conjunto fotovoltaico para recubrimiento de
tejados, autolastrado y ligero.
La presente invención fue realizada con el apoyo
del Gobierno de los Estados Unidos mediante el Contrato Nº
FG01-95EE15638 otorgado por el Departamento de
Energía de los Estados Unidos.
La presente invención se refiere de forma
general a un conjunto fotovoltaico para recubrimiento de tejados, y
en particular se refiere a un conjunto fotovoltaico para
recubrimiento de tejado de tipo ligero, que no requiere inserciones
en el tejado y que es resistente al empuje ascendente del viento
debido a la geometría especial de sus componentes y a su actuación
como un conjunto integral.
A medida que el costo de las células solares
disminuye, los componentes celulares no solares necesarios para el
funcionamiento del sistema fotovoltaico comienzan a dominar los
costos globales del sistema. Por esta razón, existe una tendencia
creciente a desarrollar conjuntos fotovoltaicos que eliminen o
reduzcan los componentes celulares no solares, y en los que la
célula fotovoltaica sustituye a los componentes convencionales de
construcción. Debe prestarse especial cuidado para asegurar que los
nuevos productos basados en materiales fotovoltaicos sigan siendo
seguros en cuanto a factores medioambientales, tal como la carga del
viento y los esfuerzos medioambientales.
En la Patente US Nº 4.886.554 concedida en 12 de
Diciembre de 1989 a Woodring y otros, se da a conocer un conjunto
fotovoltaico para recubrimiento de tejados de la técnica anterior.
El conjunto de Woodring incluye una serie de bloques de aislamiento
dispuestos como una capa sobre una membrana de recubrimiento de
tejado, una serie de elementos de pavimentación de hormigón
dispuestos como una capa sobre la serie de bloques de aislamiento,
y una serie de células fotovoltaicas, cada una de ellas soportada en
un respectivo elemento de pavimentación. Una característica clave
del conjunto de Woodring es el acoplamiento de la célula solar al
elemento de pavimentación de soporte. Pero dicho sistema de
acoplamiento presenta una serie de desventajas:
a) Mediante la inclusión de un elemento de
pavimentación ("paver") de tejado, el conjunto resulta más
complicado de lo necesario y más costoso de fabricar.
b) El conjunto no utiliza un método para limitar
las temperaturas experimentadas por las células solares y otros
componentes. Es sabido que las células solares pierden rendimiento
con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, careciendo de
mecanismo para la disminución de la temperatura, el conjunto
funcionará de forma menos eficiente, con efectos a largo plazo,
desconocidos, debidos a la exposición a altas temperaturas.
c) Con la colocación de un elemento de
pavimentación de hormigón y un módulo fotovoltaico sobre el bloque
de aislamiento, dicho bloque de aislamiento es incapaz de ventilar y
eliminar la humedad. Como resultado, durante la exposición a la
humedad, el bloque de aislamiento tarda más tiempo en secarse,
reduciendo de este modo su capacidad aislante y degradando la
integridad del bloque de aislamiento con el paso del tiempo.
d) El conjunto tiene múltiples modos de fallos
potenciales, que incluyen el componente de pavimentación y sus
medios de unión. Dichos componentes estarán expuestos durante 20 a
30 años a un medio con climatología severa a elevadas temperaturas.
Cualquier forma de delaminación resulta inaceptable. La delaminación
podría producir la dislocación de las células solares debido a la
carga del viento, y la exposición potencial de las capas de
aislamiento y membrana que están debajo.
Otro conjunto solar de tejado de la técnica
anterior es dado a conocer en la Patente U.S. Nº 4.674.244 concedida
el 23 de Junio de 1987 a Francovitch. El conjunto de Francovitch
incluye un substrato de tejado que es substancialmente plano, una
estructura de aislamiento sobre el mismo que tiene una superficie
inclinada, una membrana elastomérica sobre el substrato y la
estructura, dicha membrana siendo aplicada al substrato y la
estructura, y soportada por los mismos, y soportando un conjunto de
células fotovoltaicas. Una característica clave de este conjunto es
el acoplamiento de la célula solar directamente a la membrana de
recubrimiento de tejado. Mediante dicho acoplamiento, este conjunto
presenta una serie de desventajas:
a) El conjunto no utiliza un método para limitar
las temperaturas experimentadas por las células solares y la
membrana de recubrimiento de tejado, reduciendo de este modo el
rendimiento de las células solares y reduciendo la vida útil de
dicha membrana de recubrimiento.
b) El conjunto presenta múltiples modos de
fallos potenciales, que incluyen los fallos debidos a esfuerzos
térmicos de la membrana de recubrimiento de tejado y sus medios de
unión.
c) El conjunto requiere elementos de fijación de
tejado que penetran en la membrana protectora de recubrimiento de
tejado, que hacen que la instalación sea mucho más complicada y más
costosa de lo necesario. Además, dichas inserciones aumentan los
riesgos de goteras o filtraciones de agua, con los consiguientes
daños producidos a los edificios y sus contenidos.
El documento WO 96/00827 A da a conocer un
conjunto de recubrimiento de tejado fotovoltaico que también es
autolastrado.
Otras patentes relacionadas con conjuntos de
recubrimiento de tejado fotovoltaico incluyen las patentes US Nº
4.835.918 concedida el 6 de Junio de 1989 a Dippel; US Nº 4.189.881
concedida el 26 de Febrero de 1980 a Hawley; US Nº 3.769.091
concedida el 30 de Octubre de 1973 a Leinkram y otros; US Nº
4.040.867 concedida el 9 de Agosto de 1977 a Forestieri y otros; US
Nº 4.321.416 concedida el 23 de Marzo de 1982 a Tennant; US Nº
4.860.509 concedida el 29 de Agosto de 1989 a Laaly y otros; US Nº
5.092.393 concedida en Marzo de 1992 a Nath y otros; US Nº
5.112.408 concedida en Mayo de 1992 a Melchior; US Nº 4.389.533
concedida el 21 de Junio de 1983 a Ames; US Nº 4.677.248 concedida
el 30 de Junio de 1987 a Lacey; US Nº 5.338.369 concedida el 16 de
Agosto de 1994 a Rawlings; la patente alemana Nº DE 3611542 A1
concedida el 5 de Abril de 1986 a Cohausz y otros; y la patente
japonesa Nº 3200376 concedida el 2 de Septiembre de 1991.
De acuerdo con la presente invención, el
conjunto para tejado de células solares, ligero y autolastrado está
formado preferentemente por dos partes. Una parte consiste en una
serie de módulos fotovoltaicos, junto con elementos separadores que
se apoyan en una azotea o tejado convencional de un edificio. Los
elementos separadores están preformados y tienen un tamaño y están
configurados para disponer pasajes entre los módulos fotovoltaicos
extendiéndose como mínimo desde dos lados de los módulos para
reducir las fuerzas de empuje ascendente en dichos módulos. Los
módulos fotovoltaicos con elementos separadores tienen de forma
preferente bordes o esquinas de interconexión. La segunda parte es
un medio de aseguramiento de perímetro que impide penetraciones de
la membrana del tejado, tal como la utilización de elementos de
pavimentación de recubrimiento de tejado.
La parte de módulo fotovoltaico está situada
sobre la azotea del edificio de modo que quede expuesto a la
radiación solar y esté conectado de forma eléctrica para el
transporte de la electricidad. La parte de pavimentación está
situada sobre el mismo edificio y se interconecta con los módulos
fotovoltaicos con separadores. También son posibles otros medios de
aseguramiento de perímetro, incluyendo la colocación de cubrejuntas
metálicos a lo largo del borde de los módulos del perímetro y
conectando los cubrejuntas, extremo a extremo, alrededor del
perímetro del conjunto, o adhiriendo dicho cubrejuntas a la membrana
de recubrimiento de tejado. El módulo fotovoltaico lleva a cabo las
múltiples funciones normalmente llevadas a cabo por un elemento de
pavimentación de tejado, incluyendo el lastrado, la protección
contra la radiación UV, y la protección meteorológica para la
membrana y las capas de aislamiento que están debajo. De forma
conjunta, las dos partes cumplen la doble función de recubrimiento
protector de tejado autolastrado y conjunto para la captación de
energía radiante.
En una realización alternativa, el conjunto de
células solares de recubrimiento de tejado está formado por tres
partes. La primera parte consiste en una serie de bloques de
aislamiento que son colocados en una membrana de recubrimiento de
tejado convencional. La segunda parte consiste en una serie de
módulos fotovoltaicos, junto con elementos separadores que se
apoyan en la serie de bloques de aislamiento. Los bloques de
aislamiento con módulos fotovoltaicos y separadores tienen bordes
de interconexión. El módulo fotovoltaico lleva a cabo múltiples
funciones, incluyendo la de lastrado, protección contra la radiación
UV, y protección meteorológica para la membrana y las capas de
aislamiento que están debajo. La tercera parte es un medio de
aseguramiento de perímetro, tal como un cubrejuntas metálico o
elementos de pavimentación de tejado convencionales, localizado en
el perímetro de los conjuntos de módulos fotovoltaicos y sujetando
todo el conjunto como un conjunto integral. También son posibles
otros medios de aseguramiento de perímetro. De forma conjunta, las
tres partes cumplen la doble función de un sistema de recubrimiento
de tejado con membrana protegida y un conjunto para la captación de
energía radiante.
En consecuencia, la presente invención da a
conocer varias características y ventajas:
a) una geometría detallada para conjuntos
fotovoltaicos para recubrimiento de tejado de tipo ligero que
asegura una resistencia apropiada contra las fuerzas de empuje
ascendente del viento que actúan sobre el tejado de un edificio,
eliminando al mismo tiempo la necesidad de utilización de
inserciones de la membrana del tejado para sujetar el conjunto;
b) un conjunto de recubrimiento de tejado que
pesa de forma grosera de una sexta a una tercera parte de lo que
pesan los tejados lastrados convencionales, reduciendo o eliminando
de este modo la necesidad de soportes estructurales añadidos al
edificio;
c) un conjunto que funciona con membranas
virtualmente prefabricadas y de una sola capa, y un conjunto que
puede estar libre de clorofluorocarbono;
d) un conjunto fotovoltaico de recubrimiento de
tejado de bajo costo y simple, en el que los componentes del
producto cumplen múltiples funciones como componente de
recubrimiento de tejado, incluyendo lastrado, protección climática,
y protección contra la radiación UV para la membrana de aislamiento
e impermeable que está deba-
jo;
jo;
e) un conjunto fotovoltaico de recubrimiento de
tejado de fabricación sencilla debido a su construcción simple;
f) un conjunto fotovoltaico de recubrimiento de
tejado que absorbe los costos de los materiales convencionales de
recubrimiento de tejados y su instalación, mejorando de este modo el
valor de la parte fotovoltaica como un componente de construcción
con carácter sinérgico;
g) un producto dotado con posibilidades mínimas
de modos de fallo;
h) un conjunto de recubrimiento de tejado que
otorga beneficios sociales haciendo que la tecnología fotovoltaica
sea más competitiva a nivel de costos. Este hecho facilita la
transición hacia una economía basada en energía renovable y limpia,
y ayuda a atenuar la contaminación atmosférica y el calentamiento
global.
Dichas características y ventajas de la presente
invención junto con otras resultarán evidentes a partir de la
descripción de las realizaciones preferentes de la invención en
relación con los dibujos adjuntos.
Las figuras 1A a 1D muestran vistas de una
realización de la presente invención con elementos de separación
que se apoyan directamente en una membrana de recubrimiento de
tejado y con una geometría de elementos separadores diseñada para
minimizar el efecto de empuje ascendente del viento en todo el
conjunto;
Las figuras 2A a 2D muestran vistas de una
segunda realización de la presente invención, en la que la presente
invención mostrada en la figura 1 es una sistema formado por paneles
de módulos fotovoltaicos;
Las figuras 3A a 3D muestran vistas de una
realización alternativa de la presente invención, en la que los
elementos separadores están acoplados a un bloque de aislamiento y
dispuestos con una geometría que minimiza el efecto de empuje
ascendente del viento sobre todo el conjunto, el esquema de la
localización del módulo fotovoltaico mostrado con líneas cortadas
en la figura 3D;
Las figuras 4A a 4B muestran vistas de varios
medios de aseguramiento perimetral instalados de acuerdo con la
presente invención; y
La figura 5 muestra una vista en planta de un
edificio con un conjunto fotovoltaico de recubrimiento de tejado
instalado de acuerdo con la presente invención.
Descripción de las figuras
1A-1D
La figura 1A muestra una vista en sección de un
conjunto fotovoltaico de recubrimiento de tejado. Dicho conjunto
incluye una serie de módulos fotovoltaicos (104), (106), (108), una
serie de elementos separadores preformados (112), (114), (116),
(118), (120), (122) que están dispuestos de forma respectiva debajo
de la serie de módulos fotovoltaicos (104), (106), (108) y son
integrales con los mismos, o están conectados de forma fija a los
mismos. Los elementos separadores (112), (114), (116), (118), (120),
(122) están dispuestos sobre una membrana de recubrimiento de
tejado (102). Los módulos fotovoltaicos (104), (106), (108) y los
elementos separadores asociados (112) a (122) definen zonas
abiertas (123) bajo los módulos fotovoltaicos.
La membrana (102) está soportada en una
estructura de tejado convencional (no mostrada), y puede ser
acoplada a la misma por métodos convencionales, tal como mediante
elementos de sujeción o adhesivos. La membrana (102) también puede
estar apoyada directamente en el bloque de aislamiento que es
soportado en la estructura de tejado convencional. Los módulos
(104), (106) y (108) están conectados eléctricamente utilizando
cables eléctricos (no mostrados) y están dispuestos como un
conjunto de módulos. Cada uno de los módulos (104), (106) y (108)
tiene como mínimo una célula fotovoltaica. Ejemplos de módulos
fotovoltaicos incluyen aquellos que incorporan una deposición de
película delgada sobre substratos de vidrio, acero inoxidable o
material cerámico, y que son fabricados por compañías tales como
Solarex Corporation, United Solar Systems Corporation, Energy
Photovoltaics Inc. y Astropower Inc. y módulos de células de
silicio policristalino o simple tales como los fabricados pro
Astropower Ins., Siemens Solar Industries, y Solarex
Corporation.
La figura 1B muestra una vista en planta de un
detalle del conjunto en el que los elementos separados preformados
(116), (118), (124) y (126) son dispuestos sobre la membrana (102) y
dan soporte a lo largo de los bordes del módulo (106) al cual están
conectados de forma fija o son parte integral del mismo. La figura
1A muestra la dimensión h que representa la distancia entre el
módulo y la membrana de recubrimiento de tejado. El conjunto tiene
dimensiones preferentes por las cuales h mide entre 2,5 cm (1
pulgada) y 15,2 cm (6 pulgadas), dependiendo de la temperatura a la
que el módulo y el resto de los componentes estarán limitadas. Los
módulos fotovoltaicos tienen un tamaño preferente que está dentro
del rango entre 61 cm (2 pies) por 122 cm (4 pies) y 122 cm (4
pies) por 244 cm (8 pies), cuya dimensión debe ser determinada a
partir de una evaluación en túnel aerodinámico para ser preferente
desde el punto de vista de que minimiza el efecto de empuje
ascendente y que puede ser manipulado de forma sencilla por un
equipo de instalación de tejados.
La figura 1C muestra una vista en sección de un
detalle alternativo del conjunto en el que los elementos separadores
(130), (132) y (134) tienen un perfil cónico y están dispuestos
sobre la membrana (102) y dan soporte a los módulos (104), (106) y
(108) a los cuales están conectados de forma fija o son parte
integral de los mismos. Los elementos separadores (130), (132) y
(134) pueden estar hechos de vidrio, hormigón, plástico (formado
por vacío u otro tipo), bloques de aislamiento, hormigón integral
sobre bloque de aislamiento (tal como el producto conocido como
Lightguard^{TM} de T. Clear Corporation) u otro material.
En las figuras 1C y 1D el elemento separador
(132) se muestra preformado con aberturas (150) y (152) que permiten
el libre intercambio de aire en los lados alto y bajo del módulo
(106) hacia el lado inferior de dicho módulo (106). Este libre
intercambio de aire con la geometría del elemento separador mostrado
ha sido determinado mediante pruebas en túnel aerodinámico para
facilitar el equilibrio instantáneo de las presiones de aire entre
el lado superior y el inferior del módulo (106), reduciendo de este
modo las fuerzas resultantes o netas de empuje ascendente creadas
por el viento.
En las figuras 1C y 1D el elemento separador
(132) se muestra preformado con un perfil cónico (140) entre su
punto más alto a lo largo del borde superior del módulo (106)
extendiéndose en dirección descendente hacia el borde inferior del
módulo adyacente (108). El perfil cónico (140) sirve como elemento
de bloqueo aerodinámico, haciendo que el viento que viaja desde la
derecha del dibujo fluya sobre la parte superior del módulo (106),
y obstruyendo su entrada al lado posterior del módulo (106).
En las figuras 1C y 1D el elemento separador
(132) tiene preferentemente un perfil con forma de lengua (160) a
lo largo de dos bordes y un perfil ranurado (162) a lo largo de sus
otros dos lados, de modo que dicho elemento separador (132) se
interconecta con elementos separadores adyacentes. De este modo, las
juntas de interconexión están formadas entre conjuntos integrales y
adyacentes para proporcionar una mayor resistencia al efecto de
empuje ascendente del viento. Sin embargo, es posible utilizar
cualquier otro medio de bloqueo integral.
El método preferente de fabricación del conjunto
de recubrimiento solar de tejados es como se indica a continuación:
los módulos (104), (106) y (108) son añadidos, unidos, o acoplados
de cualquier otro modo, a los respectivos elementos separadores
(112), (114), (116), (118), (120), (122), (124) y (126) (o para
módulos inclinados, los elementos separadores -130-, -132- y -134-)
en la planta de fabricación o en el sitio de utilización. Se coloca
una membrana de recubrimiento de tejados en un tejado. Los módulos y
elementos separadores son colocados en filas sobre la membrana de
recubrimiento de tejado. Se colocan elementos de pavimentación de
tejado alrededor del perímetro de los módulos fotovoltaicos y se
interconectan en el perímetro de los módulos. Dicha construcción
resulta en un conjunto de recubrimiento de tejado ensamblado de
forma simple y rápida que puede ser de peso ligero al mismo tiempo
que resiste las fuerzas de empuje ascendente del viento.
Las ventajas del conjunto descrito anteriormente
incluyen:
1. El conjunto es de peso ligero
(9,76-19,53 kg/m^{2} o 2-4
libras/pie^{2}) en comparación con el lastre de recubrimiento de
tejados convencional (48,8-73,2 kg/m^{2} o
10-15 libras/pie^{2}), basándose en una
combinación de peso, conexión borde a borde y la geometría del
separador para resistir las fuerzas de empuje ascendente del
viento.
2. El conjunto fotovoltaico de recubrimiento de
tejado, que puede ser utilizado en un tejado plano o ligeramente
inclinado, minimiza las goteras o filtraciones de agua a través del
tejado.
3. Los módulos fotovoltaicos proporcionan
múltiples funciones como componente de recubrimiento de tejados,
incluyendo lastrado, protección meteorológica, y protección contra
la radiación UV para la capa de membrana que está debajo.
4. Mediante el reemplazo de los componentes de
recubrimiento de tejado y su instalación, se mejora el valor del
módulo fotovoltaico, mejorando de este modo la competitividad en
cuanto a costos de una energía limpia y procedente de una fuente
renovable.
5. El costo de instalación del conjunto es
minimizado debido a la sencillez de fabricación y construcción
simple. El control de calidad es maximizado utilizando un ensamblado
en el punto de venta.
6. Los módulos fotovoltaicos de recubrimiento de
tejado son reutilizables. Pueden ser desconectados de forma
sencilla y reensamblados en otros tejados. Los elementos separadores
(112), (114), (116), (118), (120) y (122) del conjunto pueden
adoptar numerosas formas, pero los elementos separadores siguen la
periferia de cada uno de los módulos (104), (106) y (108) al mismo
tiempo que presentan aberturas que ocupan entre el 10% y el 50% de
la longitud del borde del módulo. Esta geometría ha sido determinada
preferente como resultado de extensivas pruebas en túnel
aerodinámico, y resulta en un equilibrio casi instantáneo y uniforme
de las presiones de los lados superior e inferior de los módulos
(104), (106) y (108) bajo condiciones de alta velocidad de viento,
reduciendo de este modo las fuerzas ascendentes debidas a las cargas
de viento.
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Descripción de las figuras
2A-2D
Las figuras 2A-2D muestran
vistas en sección y en planta de una segunda realización de la
presente invención. En la figura 2A, el conjunto incluye una serie
de módulos fotovoltaicos (204), (206), (208), (210) y (212), una
serie de elementos separadores preformados (220), (222) y (224) que
están dispuestos de forma respectiva debajo de los módulos (204),
(206), (208), (210) y (212) y son integrales o están fijos a los
mismos. Los elementos separadores (220), (222) y (224) se apoyan en
pedestales o soportes (240) y (242) que están dispuestos sobre una
membrana de recubrimiento de tejados (202). De forma alternativa,
los elementos separadores (220), (222) y (224) pueden estar
apoyados directamente en la membrana (202).
Los elementos separadores (220), (222) y (224)
del conjunto pueden adoptar varias formas, incluyendo canales con
forma de C, tubos plásticos, o barras de metal.
La figura 2B muestra una vista en planta de un
detalle del conjunto en el que los elementos de separación (220),
(220’), (222), (222’), (226), (226’) dan soporte a los módulos
(204), (206), (208), (210), (212), (214), (216) y (218) a los
cuales están conectados de forma fija o son integrales con los
mismos. Los elementos separadores (220), (220’), (222), (222’),
(226), (226’), (228) y (228’) también aseguran una separación
consistente entre los módulos PV y permiten el drenaje del
agua.
La figura 2C muestra una vista extrema en
sección de un conjunto en el que los elementos separadores (228),
(222’), (222) y (226) están dispuestos sobre pedestales (240),
(240’) que están dispuestos sobre la membrana (202). Dichos
pedestales (240) y (240’) pueden estar hechos de hormigón, plástico,
bloques de aislamiento, o cualquier otro material y se
interconectan con los elementos separadores (228), (222), (222’) y
(226). A pesar de que la figura 2C muestra una disposición de
interconexión mediante canales con forma de C intersecados, puede
utilizarse cualquier otro medio de interconexión.
En la figura 2D, el conjunto de la figura 2A
está modificado por módulos inclinados (204), (206), (208), (210) y
(212) y mediante la introducción de deflectores del viento (260),
(262), (264), (266) y (268) para impedir que los vientos
superficiales entren bajo los módulos (204), (206), (208), (210) y
(212).
Las ventajas del conjunto de la figura 2,
adicionales a las ventajas del conjunto mostrado en la figura 1,
incluyen:
1. Módulos fotovoltaicos inclinados (204),
(206), (208), (210) y (212) que funcionan con un rendimiento
relativamente alto, debido a que sus superficies superiores están
próximas a un plano normal a la radiación solar.
2. Mediante la inclinación de los módulos
fotovoltaicos, se mejora la convección natural utilizando aire del
exterior como fluido convectivo, debido a la facilitación de las
corrientes convectivas en el lado posterior de una superficie plana
cuando dicha superficie es inclinada.
Descripción de las figuras
3A-3D
La figura 3A muestra una vista en sección de un
conjunto fotovoltaico de recubrimiento de tejados. El conjunto
incluye una serie de módulos fotovoltaicos (304), (306) y (308), una
serie de elementos separadores preformados (312), (314) y (316) que
están dispuestos de forma respectiva debajo de dicha serie de
módulos fotovoltaicos (304), (306) y (308) y son integrales o están
conectados de forma fija con los mismos. Los elementos separadores
(312), (314) y (316) están dispuestos sobre los bloques de
aislamiento (320), (322) y (324) que están dispuestos sobre una
membrana de recubrimiento de tejados (302).
La figura 3B muestra una vista en planta de un
solo conjunto fotovoltaico (301), compuesto por el bloque de
aislamiento (322), los elementos separadores (314), (314’), (315) y
(315’) y el módulo fotovoltaico (306) mostrado con línea de trazos.
Los elementos separadores (314), (315’) siguen la periferia del
módulo (306) al mismo tiempo que dejan aberturas hacia el interior
del conjunto (301) que ocupan entre el 10% y el 50% de la longitud
del borde de dicho módulo (306). Esta geometría resulta en la
formación de presiones interiores negativas bajo condiciones de
alta velocidad de viento, reduciendo de este modo las fuerzas de
empuje ascendente netas debidas a las cargas del viento, tal como
ha sido determinado por las pruebas en túnel aerodinámico.
Volviendo a la figura 3B, las investigaciones en
túnel aerodinámico han determinado que el modo preferente de
funcionamiento es el que tiene los elementos separadores dispuestos
de forma normal a la dirección del viento y que siguen de forma
cercana el perímetro del módulo. Se logra un rendimiento pobre
cuando existe un bloqueo continuo de la cavidad interior alrededor
del perímetro del módulo. La retención óptima se produce cuando los
módulos tienen algún tipo de abertura pequeña que comunica con la
cavidad interior, dentro del rango entre el 10% y el 30%. Con esta
configuración, el mejor rendimiento se alcanza cuando la proporción
d/h está dentro del rango entre 0,2 y 0,6, o es mayor que 1,20.
La figura 3C muestra una vista en sección de un
detalle alternativo del conjunto en el que la baldosa o teja (301’)
consiste en un módulo fotovoltaico (306) soportado por elementos
separadores (350), (352) y (354) (los últimos dos no se muestran)
sobre un bloque de aislamiento (340). El bloque de aislamiento (340)
tiene un perfil cónico para orientar el módulo (306) en la
dirección de mayor exposición solar. De forma alternativa, los
elementos separadores (350), (352) y (354) podrían tener un perfil
cónico. El bloque de aislamiento (340) tiene una forma tal que su
parte más superior impide la entrada de vientos superficiales bajo
el módulo (306).
Haciendo referencia a la figura 3C, las
investigaciones en túnel aerodinámico han determinado que el
rendimiento del sistema es relativamente insensible a la pendiente
o inclinación del módulo cuando la inclinación están en el rango
entre 5º y 12º. Mejor rendimiento se logró cuando la forma de la
cavidad debajo del módulo PV fue triangular, tal como en la figura
3C, más que rectangular.
La figura 3D muestra una vista en planta del
conjunto (301’) de la figura 3C en el que los elementos separadores
(350), (352) y (354) están colocados debajo del módulo (306) y
conectados de forma fija al mismo, permitiendo de este modo el
libre intercambio de aire en los lados superiores e inferiores del
módulo (306). Dicho intercambio libre de aire con la geometría de
separador mostrada ha sido determinado a través de pruebas en túnel
aerodinámico para facilitar el equilibrio instantáneo de las
presiones de aire entre el lado superior e inferior del módulo
(306), reduciendo de este modo las fuerzas netas de empuje
ascendente producidas por el viento.
En las figuras 3C y 3D el bloque de aislamiento
(340) se muestra preformado con un perfil cónico (356). El perfil
cónico (340) sirve como un elemento de bloqueo aerodinámico,
haciendo que el viento que se desplaza desde la derecha en el
dibujo fluya sobre la parte superior del módulo (306), y obstruyendo
la entrada hacia la parte posterior del módulo (306).
Las ventajas del conjunto descrito anteriormente
incluyen, además de las ventajas del conjunto de la figura 1:
1. La geometría del separador sirve para reducir
las fuerzas netas de empuje ascendente del viento, permitiendo de
este modo que el conjunto sea de peso ligero
(9,76-19,53 kg/m^{2} o 2-4
libras/pie^{2}) con respecto al lastre de recubrimiento de
tejados convencional (48,8-73,2 kg/m^{2} o
10-15 libras/pie^{2}).
2. Las baldosas de recubrimiento de tejados
proporcionan aislamiento y lastre, protección meteorológica y
contra la radiación UV para la capa de membrana que está debajo.
Descripción de las figuras
4A-4B
Las figuras 4A-4B muestran
vistas en sección de medios alternativos de aseguramiento de
perímetro para el conjunto fotovoltaico de recubrimiento de tejado.
La figura 4A muestra un cubrejuntas metálico (410) dispuesto en el
perímetro de una serie de conjuntos e interconectándose con el
bloque de aislamiento (404). El cubrejuntas metálico (410) está
formado para aceptar conductores eléctricos (no mostrados) que
recorren el perímetro del conjunto. La figura 4B muestra el
elemento de pavimentación de hormigón (412) interconectado con el
bloque de aislamiento (404). Mientras que la figura 4B muestra una
interconexión mediante lengüeta y ranura, también son posibles
otros medios de interconexión, incluyendo la utilización de
cubrejuntas metálico con forma de Z entre el bloque de aislamiento
y el elemento de pavimentación.
Descripción de la figura
5
La figura 5 muestra una vista en perspectiva del
conjunto fotovoltaico de recubrimiento de tejados en el que varios
conjuntos fotovoltaicos de recubrimiento de tejados (504) forman una
serie (502) que es situada en un tejado de un edificio. El elemento
de aseguramiento de perímetro (510) recorre el perímetro de la serie
(502) y fija las baldosas de recubrimiento de tejado (504) como un
conjunto integral.
A pesar de que la presente invención ha sido
descrita haciendo referencia a sus realizaciones preferentes, debe
entenderse que las palabras que han sido utilizadas son descriptivas
más que limitantes y que pueden realizarse modificaciones dentro
del ámbito de las reivindicaciones adjuntas sin salir del alcance de
la presente invención.
La presente invención da a conocer un conjunto
de módulo solar simple, eficiente, instalable de forma rápida,
reutilizable y de bajo costo, para tejados u otra superficie plana o
ligeramente inclinada en el que las geometrías internas de los
componentes de baldosa de recubrimiento de tejados minimizan las
fuerzas netas de empuje ascendente producidas por el viento.
A pesar de que la descripción anterior contiene
muchos aspectos específicos, éstos no deben ser interpretados como
limitativos sobre el alcance de la presente invención, sino como una
ejemplificación de una realización preferente de la misma. Muchas
otras variaciones resultan posibles. A modo de ejemplo, el conjunto
fotovoltaico de recubrimiento de tejados puede incluir una capa
adicional compuesta por tela u otro material dispuesto sobre la
membrana de recubrimiento de tejados y debajo del módulo
fotovoltaico con elementos separadores, y dicha capa puede
proporcionar una barrera protectora adicional para la membrana de
recubrimiento de tejado y/o lámina de deslizamiento.
A modo de ejemplo adicional, los módulos
fotovoltaicos con elementos separadores pueden incluir placas
niveladoras colocadas debajo o sobre los elementos separadores para
nivelar los módulos fotovoltaicos, o para lograr una pendiente
predeterminada de dichos módulos fotovoltaicos.
A modo de ejemplo adicional, el bloque de
aislamiento puede estar recubierto con un recubrimiento intumescente
u otro medio de protección contra incendios para lograr una
determinada clasificación de fuego como conjunto de recubrimiento
de tejados de edificios.
A modo de ejemplo adicional, mientras que la
conexión borde a borde entre los módulos adyacentes ha sido
ejemplificada de forma frecuente como un conjunto de lengüeta y
ranura, cualquier medio de conexión de bordes resulta posible,
incluyendo grapas metálicas, adhesivos, cuñas con inclinación
("skewers") que penetran en el bloque de aislamiento, junto
con otros medios. Además, la conexión positiva entre los módulos
puede lograrse como se describe a continuación. Los módulos
fotovoltaicos pueden apoyarse en elementos separadores que a la vez
se apoyan en una placa de aislamiento que se tiende de forma libre
sobre la membrana de recubrimiento de tejados. Los módulos
fotovoltaicos pueden entonces ser extendidos y unidos a los bloques
de aislamiento adyacentes que proporcionarían una conexión positiva
entre bloques de aislamiento adyacentes y módulos fotovoltaicos
adyacentes. Esto último favorecería que el conjunto resistiera las
fuerzas de empuje ascendente del viento.
A modo de ejemplo adicional, la parte superior
de todos los bloques de aislamiento podrían ser pintados con una
pintura que fuera opaca a la radiación ultravioleta, alargando de
este modo la vida útil del bloque de aislamiento en aplicaciones en
las que el módulo fotovoltaico no es opaco a la radiación
ultravioleta.
A modo de ejemplo adicional, los elementos
separadores no necesitan ser dispuestos de forma integral con el
módulo fotovoltaico en el taller, sino que pueden ser dispuestos en
el emplazamiento de utilización como tirantes y los módulos de PV
pueden ser acoplados a los mismos en dicho emplazamiento de
utilización.
A modo de ejemplo adicional, el ángulo del
módulo fotovoltaico puede variar dentro del rango entre 0º y 30º,
preferentemente entre 5º y 30º, y de forma más preferente entre 5º y
12º aproximadamente.
En consecuencia, el alcance de la presente
invención debe determinarse por las reivindicaciones adjuntas y no
mediante las realizaciones dadas a modo de ejemplo.
Claims (20)
1. Conjunto fotovoltaico autolastrado que
comprende:
un módulo fotovoltaico (106, 206) que tiene
laterales y superficies superiores e inferiores; y
como mínimo un elemento separador (116, 132,
222) asegurado a la superficie inferior del módulo fotovoltaico y
que será montado sobre una membrana de recubrimiento de tejados
(112);
estando dicho elemento separador (116, 132, 222)
dimensionado y configurado para definir una zona abierta (123)
entre dichas aberturas de superficie inferior y de acceso (150, 152)
para acoplar de forma fluida dicha zona abierta con dicha
superficie superior;
caracterizado porque dichas
aberturas de acceso (150, 152) se extienden a lo largo como mínimo
de dos de los lados de dicho módulo fotovoltaico; de modo que las
fuerzas de empuje ascendente del viento son resistidas cuando dicho
conjunto fotovoltaico autolastrado es montado en la membrana de
recubrimiento de tejados, y el conjunto tiene un peso que es
aproximadamente de 1/3 a 1/6 del peso del lastre de tejados
convencional que pesa entre 48,8 y 73,2
kg/m^{2}.
2. Conjunto fotovoltaico autolastrado, que
comprende:
un elemento de aislamiento (324, 322, 320)
dispuesto como una capa sobre una membrana de recubrimiento de
tejados (302);
como mínimo un elemento separador (314, 312,
316) configurado para ser dispuesto sobre dicho elemento de
aislamiento (320, 324, 322);
un módulo fotovoltaico (304, 306, 308) que
presenta una superficie superior e inferior y primer, segundo,
tercero y cuarto lados, y dispuesto sobre dicho elemento separador
(312, 314, 316) para formar un conjunto fotovoltaico
autolastrado;
uno o más separadores (312, 314, 316)
caracterizados porque están dispuestos con una configuración
geométrica que generalmente sigue los lados de dicho módulo
fotovoltaico (304, 306, 308); y define una zona abierta bajo dichas
aberturas de superficie inferior y de acceso para acoplar de forma
fluida dicha zona abierta con dicha superficie superior;
dichas aberturas de acceso ocupan entre el 5% y
el 50% de la longitud de cada uno de los primero, segundo, tercero
y cuarto lados del módulo fotovoltaico (304, 306, 308);
en el que dicha geometría permite
que dicho conjunto fotovoltaico autolastrado resista las fuerzas de
empuje ascendente del
viento.
3. Conjunto fotovoltaico autolastrado, según la
reivindicación 1, en el que dicho conjunto tiene un peso que está
dentro del rango entre 9,76 y 19,53 kg/m^{2}.
4. Conjunto, según la reivindicación 1 ó 2, en
el que dicho elemento separador (116, 132, 222, 314) tiene una
superficie de separador inferior y una superficie de separador
superior inclinada con respecto a dicha superficie de separador
inferior, soportando dicha superficie de separador superior
inclinada (132) dicho módulo fotovoltaico de modo que la zona
abierta es una zona abierta cónica se estrecha entre dichas
aberturas de acceso a lo largo de dichos dos lados.
5. Conjunto, según la reivindicación 4, en el
que dicha superficie cónica del separador superior (132, 350) tiene
un ángulo entre 5º y 30º aproximadamente con respecto a la
superficie de separador inferior de modo que dicho módulo
fotovoltaico está orientado con un ángulo entre 5º y 30º con
respecto a la superficie de soporte.
6. Conjunto, según la reivindicación 4, en el
que dicho módulo fotovoltaico (106, 206, 306) se extiende en
dirección descendente desde dicha superficie superior, y comprende
de forma adicional una superficie deflectora del viento (140, 356)
que tiene un borde superior cerca de dicha superficie superior,
extendiéndose dicha superficie deflectora del viento en dirección
descendente y saliente alejándose de dicha superficie superior.
7. Conjunto, según la reivindicación 4, en el
que dicho borde superior está a la misma altura que la superficie
superior.
8. Conjunto, según la reivindicación 1 ó 2, en
el que el conjunto fotovoltaico autolastrado tiene bordes o
esquinas de interconexión (160, 162, 352).
\newpage
9. Conjunto, según la reivindicación 8, en el
que los bordes o esquinas de interconexión (160, 162, 352) del
conjunto fotovoltaico autolastrado comprende la interconexión de los
bordes o esquinas de los elementos separadores (116, 132, 222).
10. Conjunto, según la reivindicación 2, en el
que los elementos de aislamiento (324, 322, 320) tienen bordes de
interconexión.
11. Conjunto, según la reivindicación 2, en el
que dicho conjunto fotovoltaico comprende medios para el
interacoplamiento de dicho módulo fotovoltaico, el elemento
separador, y el elemento de aislamiento para crear un conjunto
integral que resista las fuerzas de empuje ascendente del viento,
permitiendo de este modo un menor peso de instalación por unidad de
área.
12. Conjunto, según la reivindicación 1, en el
que la altura (h) del elemento separador (116, 132, 222) que
representa la distancia entre el módulo fotovoltaico y la membrana
de recubrimiento de tejados (102) mide entre 2,5 y 15,2 cm.
13. Dispositivo formado por varios conjuntos
fotovoltaicos autolastrados, según la reivindicación 1 ó 2, que
comprende un elemento de aseguramiento de perímetro colocado
alrededor de dicha serie.
14. Dispositivo, según la reivindicación 13, en
la que los elementos de aseguramiento de perímetro comprenden un
cubrejuntas metálico (410) extendiéndose a lo largo del perímetro de
dicha serie.
15. Dispositivo, según la reivindicación 14, en
la que el cubrejuntas metálico (410) puede adherirse a la membrana
de recubrimiento de tejados.
16. Dispositivo, según la reivindicación 15, en
la que el elemento de aseguramiento de perímetro incluye elementos
de pavimentación de tejado (412).
17. Conjunto, según la reivindicación 1 ó 2, que
puede ser asegurado a la membrana de recubrimiento de tejado (102)
sin inserciones en el tejado del edificio.
18. Conjunto, según la reivindicación 2, en el
que la distancia (d) entre los módulos fotovoltaicos y la altura
(h) del elemento separador están en una proporción d/h = 0,2 a 0,6 ó
d/h > 1,2.
19. Conjunto, según la reivindicación 2, en el
que dicho elemento separador (314, 306) y el elemento de aislamiento
(332, 340) forman una estructura de soporte con altura variable
para dicho módulo fotovoltaico de modo que dicha zona abierta es
estrecha o tiene forma cónica entre dicha abertura de entrada a lo
largo de los dos lados.
20. Conjunto, según la reivindicación 2, en el
que dicho módulo fotovoltaico (306) se extiende en dirección
descendente desde dicha superficie superior, y en el que dicho
elemento de aislamiento (324, 322, 320) comprende una superficie
deflectora del viento (356) que tiene un borde superior cercano a
dicha superficie superior, extendiéndose dicha superficie
deflectora del viento en dirección descendente y saliente alejándose
de dicha superficie superior.
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