ES2404671B1 - Método para orientación de captadores solares de eje rotativo no vertical. - Google Patents

Abstract

Método para orientación de captadores solares de eje rotativo no vertical.#Comprende:#a) adquirir información de la posición geográfica de la zona de instalación del captador solar (1), de la orientación del eje de rotación (E1, E2 ó E3), de la inclinación del eje de rotación, (E1, E2 ó E3) respecto a la horizontal, de la hora del día, y fecha;#b) calcular un vector de posición sol-captador (Vs), el cual define la orientación del sol en relación al panel solar (2), utilizando como datos de entrada la posición geográfica, la hora y la fecha; y#c) obtener un vector Vc y utilizar su orientación como consigna de posicionamiento del sistema de seguimiento del captador solar (1), tomando en consideración el posicionado en el espacio del plano de seguimiento;#repitiendo dicho proceso de cálculo a intervalos predeterminados.

Description

MÉTODO PARA ORIENTACIÓN DE CAPTADORES SOLARES DE EJE ROTATIVO

NO VERTICAL

Campo de la técnica

5

La presente invención concierne a un método para orientación de captadores

solares de eje rotativo no vertical, que comprende orientar de forma automática

mediante unos algoritmos de seguimiento, un captador solar (panel solar fotovoltaico,

preferentemente) que incluye un único mecanismo de seguimiento (en general un único

eje de rotación) para colocar en el espacio al menos un panel solar que pivota alrededor

1O

de un eje, en la dirección este-oeste, para efectuar un seguimiento diurno.

La invención propone para ello un seguimiento solar denominado quot;astronómicoquot;

o de quot;lazo abiertoquot; que realiza el seguimiento basado en las coordenadas calculadas del

sol, sin la utilización de sensores (o conjunto de sensores) de luminosidad como ocurre

con el seguimiento llamado quot;ópticoquot;.

15

Antecedentes de la invención

El documento US 4421943 A describe un seguidor solar que pivota alrededor de

un eje horizontal y al cual podría aplicarse el método de la presente invención.

La solicitud de patente española P 201100916 del presente inventor, describe un

20

seguidor solar que puede pivotar alrededor de dos ejes horizontales, paralelos, al que

también es aplicable el método de la presente invención.

En la solicitud de patente US 20100185227 se utiliza un algoritmo astronómico

de seguimiento para enfocar la radiación solar sobre un conjunto de espejos.

En la solicitud de patente US 2011/0094503 se describe un método para

25

seguimiento de la posición del sol durante el día, sin la utilización de sensores solares,

con un sistema de control programado que utiliza información pre-programada

comprendiendo además de la fecha, hora e información de la posición solar una

información acerca de un punto de inicio proporcionado tras la instalación del captador

solar, así como datos de la posición solar tomados con anterioridad.

30

La presente invención propone un método basado en unos algoritmos de

seguimiento de tipo quot;astronómicoquot; aplicado a captadores solares de un solo eje, no

vertical y que permite optimizar una orientación durante el seguimiento diurno en

particular en los casos en los que estos captadores solares se han que colocar en una

orientación que no es la óptima (es decir en la que su eje de rotación no está alineado

35

con la dirección norte-sur, inclinado hacia el ecuador), situación que obliga a volver a

calcular una nueva trayectoria de seguimiento para cada caso.

Exposición de la invención La presente invención aporta una propuesta que comprende unos algoritmos de seguimiento de tipo quot;astronómicoquot; o quot;de lazo abiertoquot; aplicable a captadores solares de

5 eje rotativo no vertical, que calcula la orientación óptima del panel (dentro de su rango de movimiento) independientemente del posicionamiento inicial del eje o ejes de rotación.

Se considera el seguimiento astronómico más ventajoso que el seguimiento óptico porque es más robusto: no está afectado por la suciedad y siempre coloca el 1 O panel fotovoltaico en la situación de mayor captación, independientemente de las

condiciones meteorológicas (días nublados, etc.). El seguimiento adaptativo que se propone en esta invención es útil para seguidores a un eje no vertical colocados:

• en lugares donde el captador solar no se puede colocar en la posición

15 óptima (orientación de su eje de giro) porque las condiciones del lugar no lo permiten;

• cuando por razones de estética no se quiere colocar los captadores en posición óptima (en un tejado puede quedar mejor estéticamente que los seguidores estén alineados con las líneas del tejado, o paralelos a una

20 determinada superficie);

• en el techo de un vehículo, sin obligar o condicionar la orientación de dicho vehículo de forma muy estricta durante su estacionamiento.

La presente invención concierne a un método para orientación de captadores

25 solares de eje rotativo no vertical, que comprenden al menos un panel solar que puede pivotar, respecto a un eje transversal de rotación, medio, o articulado a uno u otro de dos extremos opuestos, girando entonces selectivamente alrededor de unos ejes de rotación, caracterizado porque comprende:

a) adquirir información de: 30 la posición geográfica, incluyendo latitud y longitud, de la zona de

instalación, la orientación del eje de rotación, o acimut, la inclinación del eje de rotación respecto a la horizontal, o elevación, hora del día, y

35 fecha; b) calcular un vector de posición sol-captador calculando el vector unitario paralelo a los rayos que inciden en el panel solar del captador, el cual define la orientación del sol en relación al citado panel, utilizando como datos de entrada para dicho cálculo: la posición geográfica, la hora y la fecha; y e) obtener un vector Ve y utilizar su orientación como consigna de posicionamiento del sistema de seguimiento del captador solar, tomando en consideración el posicionado en el espacio del plano de seguimiento como consecuencia de la orientación particular del eje de rotación del captador,

repitiendo dicho proceso de cálculo a intervalos predeterminados.

Según un primer ejemplo de realización, la etapa e) comprende: c1a) posicionar espacialmente el plano de seguimiento mediante un vector representativo del plano de seguimiento obtenido por el producto vectorial entre el vector de posición sol-captador calculado en la etapa b) y un vector coincidente con el eje de rotación del captador; y c2a) obtener el citado vector Ve definiendo un vector normal al citado plano de seguimiento.

Según un segundo ejemplo de realización alternativo al primero, la etapa e) comprende:

c1b) calcular los ángulos entre el vector de posición del sol y una pluralidad de vectores normales al plano de seguimiento, para una pluralidad de posiciones diferentes posibles (por ejemplo girando el panel solar alrededor de su eje de rotación cada 0,5 grados), comprendidas en el rango operativo de seguimiento del captador al pivotar el panel solar, y; c2b) escoger como vector normal el vector normal separado por el ángulo más pequeño, con el vector de posición del sol, proporcionando dicho vector normal el citado vector Ve.

En el caso de que el citado vector normal esté fuera del rango de movimiento el captador solar adoptará, según un ejemplo de realización del método de la invención, una de dos posiciones posibles:

• el valor máximo de su rango operativo, del lado de donde se encuentra el sol, si el sol está por encima del horizonte; o

• la posición media de su rango (normalmente corresponde a cuando el

plano de seguimiento se encuentra paralelo con su base), si el sol está

por debajo del horizonte.

5

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más

plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de

realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y

no limitativo, en los que:

1 O

Las Figs. 1 a a 1 e son diferentes vistas que ilustran, de manera esquemática, a

un panel solar asociado a los diferentes vectores de interés, para diferentes posiciones,

utilizados para la implementación del método propuesto por la invención;

La Fig. 2 ilustra a un captador solar de un solo eje de rotación al cual se aplica el

método de la presente invención, para un ejemplo de realización; y

15

Las Fig. 3, 4, 5 ilustran diferentes posiciones operativas de un captador solar

que tiene dos ejes de rotación, utilizables de manera alternativa, al cual se aplica el

método de la presente invención, para otro ejemplo de realización;

Descripción detallada de unos ejemplos de realización

20

El método propuesto por la presente invención es aplicable tanto a un captador

o seguidor solar 1 como el ilustrado en la Fig. 2, es decir cuyo panel solar 2 pivota

respecto a un solo eje de rotación medio E1, como a un captador o seguidor solar 1

como el ilustrado por las Figs. 3, 4 y 5, el cual está articulado a uno u otro de dos

extremos 2a, 2b opuestos, girando entonces selectivamente alrededor del eje de

25

rotación E2, en la situación ilustrada en la Fig. 3, o respecto al eje de rotación E3, en la

situación operativa ilustrada en la Fig. 5. En la Fig. 4 se ilustra al seguidor 1 en una

posición de reposo, en la que el panel solar 2 se encuentra dispuesto en paralelo con la

base.

En las Figs. 1 a a 1 e se ilustran diferentes diagramas vectoriales asociados a un

30

panel solar que pivota alrededor de un solo eje de rotación E1, habiéndose

representado en dichas figuras los anteriormente referidos vector de posición sol-

captador como Vs, calculado en la etapa b ), el vector Ve o vector normal al plano de

seguimiento, y el vector representativo del plano de seguimiento como Vp, obtenido en

la etapa c1a) del primer ejemplo de realización del método de la invención.

La Fig. 1a ilustra a un vector Ve calculado según la etapa c2a) del método propuesto por la invención, en la que el vector Ve se encuentra desviado angularmente respecto al vector Vs.

En la Fig. 1 b se ilustra una situación ideal en la que ambos vectores, el Ve y el 5 Vs, son paralelos.

Finalmente, en la Fig. 1d, puede apreciarse cómo los vectores Ve y Vs se encuentran incluidos en un mismo plano ortogonal al eje de rotación E 1, cuando el vector normal está dentro del rango operativo de seguimiento del captador solar. Cuando el citado vector normal está fuera del rango de movimiento, el captador

1 O solar 1 adoptará una de dos posiciones posibles:

•

el valor máximo de su rango operativo, del lado de donde se encuentra el sol, si el sol está por encima del horizonte; o

•

la posición media de su rango (normalmente corresponde a cuando el

plano de seguimiento se encuentra paralelo con su base), si el sol está 15 por debajo del horizonte.

Para un ejemplo de realización para el cual se implementa el método de la invención en el seguidor solar 1 ilustrado en las Figs. 3, 4 y 5, el método comprende: -adquirir información acerca de la posición geográfica, incluyendo latitud y

20 longitud, de la zona donde el seguidor 1 se encuentra ubicado, la fecha y la hora del día, así como información acerca de la orientación, o acimut, y la inclinación respecto a la horizontal, o elevación, de los primer y segundo ejes E1, E2;

-

calcular sobre la base de dichas posición geográfica, acimut y elevación de los primer y segundo ejes E1, E2, fecha y hora un vector posición sol-captador Vs paralelo 25 a los rayos solares, el cual define la orientación del sol respecto al panel solar 2;

-

calcular un plano de seguimiento a partir de un primer vector de plano de seguimiento correspondiente a uno de los primer y segundo ejes E1, E2 (en las Figs. 1a a 1d dicho vector corresponde al eje E1) y un segundo vector de plano de seguimiento Vp obtenido del producto vectorial entre dicho vector de posición sol-seguidor Vs y

30 dicho primer vector de plano de seguimiento; -obtener un vector consigna Ve perpendicular a dicho plano de seguimiento por producto vectorial entre dichos primer y segundo Vp vectores de plano de seguimiento y utilizar la orientación de dicho vector consigna Ve como consigna de posicionamiento del captador 1.

Para otro ejemplo de realización para el cual también se implementa el método

de la invención en el seguidor solar 1 ilustrado en las Figs. 3, 4 y 5, el método

comprende:

-adquirir información acerca de la posición geográfica, incluyendo latitud y

5

longitud, de la zona donde el seguidor o captador 1 se encuentra ubicado, la fecha y la

hora del día, así como información acerca de la orientación, o acimut, y la inclinación

respecto a la horizontal, o elevación, de dichos primer y segundo ejes E1, E2;

-calcular sobre la base de dichas posición geográfica, acimut y elevación de los

primer y segundo ejes E1, E2, fecha y hora un vector posición sol-captador Vs paralelo

1O

a los rayos solares, el cual define la orientación del sol respecto al panel solar 2;

-calcular el ángulos entre cada uno de una pluralidad de vectores normales (no

ilustrados) a una pluralidad de planos de seguimiento posibles y dicho vector posición

sol-captador Vs, y escoger aquel vector normal que forme un ángulo más pequeño con

el vector de posición del sol Vs como vector consigna Ve y utilizar la orientación de

15

dicho vector consigna Ve como consigna de posicionamiento del captador solar 1.

Se propone también implementar el método de la presente invención como parte

de las funcionalidades de producción energética y de comunicaciones de un sistema de

micro fotovoltaica, que se describe a continuación, junto con las funcionalidades del

20

mismo, mediante una descripción donde los términos quot;Red internaquot; hacen referencia a

la red a la cual pertenece la instalación de micro fotovoltaica (por ejemplo la red

eléctrica de una casa), y los términos quot;Red externaquot; se refieren a la red a la cual está

conectada la interna (por ejemplo la red de distribución de una ciudad).

El sistema puede ser estático (fotovoltaica fija) o móvil (fotovoltaica de

25

seguimiento de un eje) y está constituido de los componentes siguientes:

Laminado fotovoltaico:

El generador energético del sistema. Es un componente estándar de mercado

que se adquiere directamente del fabricante (o a través de su red de distribución).

30

Actualmente, los paneles fotovoltaicos se componen de un laminado compuesto por

células, interconexiones, material aislante y cristal; todo ello montado en un marco que

le proporciona rigidez para su montaje.

La potencia nominal de un laminado estaría situada entre 200 y 300 Wp

aproximadamente y tiene una superficie de aproximadamente 1 ,6 m2.

Estructura portante:

La estructura portante mantiene el laminado en una posición dada y le aporta rigidez. Combinando la funcionalidad de soporte y rigidez se consigue ahorrar material 5 cuando se compara a la configuración estándar de estructura de soporte + marco de

panel.

La estructura portante puede ser estática en el caso de una instalación fija o móvil en el caso de un seguidor. El diseño actual del sistema utiliza un sistema de seguimiento pero podría perfectamente funcionar como sistema estático quitando

1 O simplemente la motorización.

Micro inversor: El micro inversor convierte la electricidad de corriente continua generada por el laminado fotovoltaico a electricidad de corriente alterna que se puede inyectar

15 directamente a la red externa o interna. La comunicación está incluida en la electrónica del micro inversor. En el caso de un sistema con seguimiento solar, la electrónica (con algunos

componentes añadidos) del micro inversor sirve para controlar el posicionamiento.

20 Funcionalidades:

1. Mejora o corrección del Factor de potencia mediante la inyección de energía reactiva

o

25 Al nivel de la red local a la instalación

Mejora el factor de potencia de la electricidad que se consume de la red externa para bajar el consumo de los aparatos eléctricos de la red local

o

Al nivel de la red externa Mejora el factor de potencia de la electricidad de la red externa 30 o Por petición de red

o Por configuración usuario

o Por programación horaria

o En función de las condiciones de red. En este caso se haría con un control en lazo cerrado y un analizador de red en

35 comunicación con los sistemas de micro fotovoltaica (dicho analizador formaría parte del sistema SolarFighter).

2. Algoritmo adaptativo de seguimiento

Éste es un algoritmo que implementa el método propuesto por la presente invención como funcionalidad que tiene el sistema (dotado de seguimiento de un eje no vertical) de orientar el plano de captación en la posición de máxima producción independientemente de la orientación de su eje de rotación.

3. Repetidor de comunicaciones WiFi

La electrónica de comunicación por WiFi de la cual dispone el sistema de micro fotovoltaica se puede utilizar como repetidor para extender una red y proporcionar comunicación a otros micro inversores u otros dispositivos que se encuentren dentro del alcance de la red WiFi.

4. Funcionamiento en red aislada

El sistema de micro fotovoltaica con seguimiento a un eje se diseñó inicialmente para un uso integrado en una red eléctrica establecida. En este escenario de uso, la energía generada por el sistema que no se usa en la red local es directamente inyectada a la red externa y cuando la energía generada por el sistema es insuficiente para la demanda local, la energía faltante se importa de la red externa. En este caso el sistema no dispone de almacenamiento propio ya que esta función la realiza la red externa.

En el caso del uso en red aislada, el sistema estará dotado de, o conectado a, almacenamiento energético.

En este caso la electrónica de gestión de la energía del sistema incluiría la gestión del almacenamiento energético y permitiría el funcionamiento en isla (desconectado de la red externa).

5. Punto de información meteorológico

Una instalación de uno o varios sistemas de micro fotovoltaica puede estar dotada de un sistema de recolección de datos meteorológicos (velocidad de viento, radiación, precipitaciones, etc.). Esta información es útil para comprobar el rendimiento de su sistema y para saber cuándo es necesario colocar el seguidor en posición de defensa. De la misma forma que se almacenan los datos de producción y los mensajes de estado del sistema, se graban también los datos meteorológicos. Estos se pueden compartir con otras instalaciones o publicarse vía internet.

El sistema de micro fotovoltaica podría configurarse para que los datos meteorológicos fueran interpretados como orden de posicionamiento de seguridad en caso de situaciones meteorológicas inseguras para los aparatos.

Innovaciones y ventajas de la unidad o sistema de micro fotovoltaica descrito:

Mejora o corrección del Factor de potencia con la inyección de energía reactiva:

o En una infraestructura de red inteligente, permite regular el factor de potencia de la red sin necesidad de bancos de condensadores. Esta funcionalidad ya es obligatoria para inversores quot;stringquot; (de entre 3 y 20 kW) en algunos países.

o Permite al usuario disminuir su consumo energético: Si el factor de potencia es quot;maloquot; habrá una componente reactiva no despreciable elevando la cantidad de energía aparente necesaria para suministrar una misma cantidad de energía activa.

o Si los aparatos eléctricos conectados a la red eléctrica interna tienen una influencia no deseada sobre el factor de potencia de la red eléctrica externa, la entidad responsable de la red externa podría aplicar penalizaciones (aumento de tarifa, multas, etc.). Este efecto se podría disminuir o eliminar con la regulación del factor de potencia de la parte del sistema de micro fotovoltaica

Algoritmo adaptativo de seguimiento

o Permite instalar el seguidor con el eje de rotación en una posición que no es la óptima y realizar el mejor seguimiento para esta orientación.

o Permite instalar un seguidor en el tejado de un vehículo y realizar un seguimiento apropiado

Repetidor de comunicaciones WiFi

o Permite tener una red WiFi independiente (alimentada por energía foto voltaica)

o Permite tener una doble fuente de ingresos

o Datos, VoiP o

o Permite crear, o extender, una red WiFi:

o aprovecha funcionalidad WiFi del micro inversor

o Tiene buena cobertura ya que está casi siempre instalado en alto.

o Puede crear una red WiFi en un lugar remoto

Energía 5 Funcionamiento en red aislada

o Permite el uso en un vehículo

o Permite usarlo como fuente de electricidad móvil

o Permite el uso en lugares remotos

10 Punto de información meteorológico

o Permite la creación de una red extendida de datos meteorológicos.

o Permite compartir la información meteorológica con otras instalaciones de micro fotovoltaica cercanas para evaluar la calidad de la producción de las instalaciones y transmitir avisos de condiciones meteorológicas adversas.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Método para orientación de captadores solares de eje rotativo no vertical, que comprenden al menos un panel solar (2) que puede pivotar, respecto a un eje transversal (E1) de rotación, medio, o articulado a uno u otro de dos extremos (2a, 2b) opuestos, girando entonces selectivamente alrededor de unos ejes (E2, E3) de rotación, caracterizado porque comprende:

   a) adquirir información de: la posición geográfica, incluyendo latitud y longitud, de la zona de

   instalación, la orientación del eje de rotación (E1, E2 ó E3), o acimut, la inclinación del eje de rotación (E1, E2 ó E3) respecto a la horizontal, o

   elevación, hora del día, y fecha;

   b) calcular un vector de posición sol-captador (Vs) calculando el vector unitario paralelo a los rayos que inciden en el panel solar (2) del captador (1 ), el cual define la orientación del sol en relación al citado panel solar (2), utilizando como datos de entrada para dicho cálculo: la posición geográfica, la hora y la fecha; y e) obtener un vector Ve y utilizar su orientación como consigna de posicionamiento del sistema de seguimiento del captador solar (1 ), tomando en consideración el posicionado en el espacio del plano de seguimiento como consecuencia de la orientación particular del eje de rotación (E1, E2 ó E3) del captador solar ( 1 ),

   repitiendo dicho proceso de cálculo a intervalos predeterminados.
2. 2.-Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa e)

   comprende: c1a) posicionar espacialmente el plano de seguimiento mediante un vector (Vp) representativo del plano de seguimiento obtenido por el producto vectorial entre el vector de posición sol-captador (Vs) calculado en la etapa b) y un vector coincidente con el eje de rotación (E1, E2 ó E3) del captador solar (1 ); y c2a) obtener el citado vector Ve definiendo un vector normal al citado plano de seguimiento.
3. 3.-Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa e) comprende:

   c1b) calcular los ángulos entre el vector de posición del sol (Vs) y una pluralidad

   5 de vectores normales al plano de seguimiento, para una pluralidad de posiciones diferentes posibles, comprendidas en el rango operativo de seguimiento del captador solar (1) al pivotar el panel solar (2), y; c2b) escoger como vector normal el vector normal separado por el ángulo más pequeño, con el vector de posición del sol, proporcionando dicho vector normal

   10 el citado vector Ve.
4. 4.-Método según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque en el caso de que el citado vector normal está fuera del rango de movimiento el captador solar adoptará una de dos posiciones posibles:

   15 • el valor máximo de su rango operativo, del lado de donde se encuentra el sol, si el sol está por encima del horizonte; o

   • la posición media de su rango, si el sol está por debajo del horizonte.