IT201900015156A1 - Inseguitore solare a doppio grado di libertà generato simultaneamente da un solo attuatore - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
DESCRIZIONE di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
Inseguitore solare a doppio grado di libertà generato simultaneamente da un solo attuatore.
CAMPO DI APPLICAZIONE
Il ritrovato in oggetto si colloca nell’ambito dei sistemi di massimizzazione del rendimento dei pannelli fotovoltaici da solaio, (esposti a SUD nell’emisfero boreale e a Nord nell’emisfero australe), mediante l’orientamento del loro supporto, che sia contemporaneamente in grado di muoversi intorno al duplice asse trasversale Est-Ovest dando al pannello un movimento di beccheggio e intorno all’asse longitudinale Nord-Sud conferendo al pannello un movimento di rollio. Più in particolare il ritrovato si colloca nell’ambito degli impianti fotovoltaici domestici, dotati di sistema di supporto orientabile per “pannelli solari” ad alta efficacia ma, soprattutto, ad alta convenzionalità costruttiva, innovando l’arte nota con un supporto idoneo ad inseguire il movimento del sole, ad asse mobile, in grado di mantenere i pannelli solari in un piano quanto più possibile perpendicolare ai raggi solari, durante il movimento dell’astro durante l’anno e durante il giorno.
STATO DELLA TECNICA
Sono noti ad oggi diversi sistemi che servono ad orientare i pannelli solari in base ai movimenti del sole, soprattutto nei grossi impianti da terra.
Preliminarmente, una estesa ricerca nazionale ed internazionale sul web ha rivelato che esistono in commercio sostanzialmente due famiglie di sostegni per pannelli fotovoltaici, quella per impianti a terra di medie o grandi dimensioni e quella per piccoli impianti domestici, per lo più applicabili sui solai degli edifici.
Nel primo caso troviamo inseguitori solari sofisticati con costose ed impattanti strutture, che prevedono: un supporto centrale sulla cui sommità è fissato, tramite una cerniera sferica, un ampio quadro sul quale vengono applicati più pannelli solari, mezzi motori e relativi organi di trasmissione che, controllati da un apposito programma, permettono di comandare il movimento del suddetto quadro, in modo da mantenerne la superficie costantemente rivolta verso il sole. Per poter sopportare senza problemi le sollecitazioni degli agenti atmosferici nelle diverse possibili condizioni, l’intera costruzione deve avere una notevole robustezza e quindi un peso rilevante. Per questo motivo gli inseguitori solari del tipo sopra descritto, sono normalmente fissati direttamente al terreno o ad una struttura di sostegno particolarmente robusta e la loro installazione su tetti è per questo stesso motivo preclusa. Come sopra accennato, inoltre, gli elevati costi di costruzione ed istallazione non potrebbero essere compensati in misura sufficiente dal maggior rendimento dei pannelli su di essi montati, rispetto a quello di pannelli dello stesso tipo su installazioni statiche ad angolazione ed orientamento fissi e predeterminati.
Vi sono poi tutte quelle strutture leggere per impianti al solaio con inseguitore solare.
Queste ultime comprendono sia le tipologie orientabili con un grado di libertà X, Y o Z (sistema tilt, a rollio o azimutali), strutturalmente più semplici ed economiche, che quelle a due gradi di libertà, più efficaci, ma che richiedono due attuatori e quindi sono più complesse e costose. Ed è in questa famiglia di strutture che si va a collocare il trovato oggetto della presente domanda di brevetto, che propone una soluzione ad alta efficacia, come gli inseguitori solari a due gradi di libertà, ma con un unico attuatore che alimenta il movimento diurno su un asse rotante, non fisso: un mix, quindi, fra gli inseguitori ad assi X-Y-Z, ma con una maggiore semplicità costruttiva.
La ricerca sulle banche dati internazionali dei brevetti ha evidenziato, quindi, una vasta serie di Brevetti per invenzione industriale e per modello d’utilità di prodotto che possono interessare il campo di applicazione, ma che riguardano prettamente grandi impianti fotovoltaici. Mentre, solo un esiguo numero di brevetti propone soluzioni applicabili ad impianti di piccola produzione, tendenzialmente installati al solaio.
Il brevetto che costituisce l’arte nota più vicina al ritrovato in oggetto è un brevetto italiano numero 10MI2010A000565 depositato il 2-4-2010 dal titolo “Inseguitore solare per pannelli solari, idoneo per installazione su tetti” appartenente a Bracchiglione Guido.
Questo trovato descrive un inseguitore solare per pannelli fotovoltaici, in grado di mantenerli in un piano quanto più possibile perpendicolare ai raggi solari, durante il movimento dell’astro durante l’anno e/o durante il giorno e, in particolare, riguarda un inseguitore che ha un basso spessore ed un peso contenuto e quindi idoneo per essere installato su tetti.
Detto Inseguitore solare di base comprende: un telaio fisso ancorato ad un sostegno, un telaio mobile per il supporto di un pannello solare, mezzi a cerniera, sui quattro lati, per permettere l’inclinazione del telaio mobile rispetto al telaio fisso e, inoltre, mezzi di controllo per determinare un valore prescelto di detta inclinazione. In questo caso il telaio mobile ha un solo grado di libertà.
Detto ritrovato descrive anche la variante senza alcuna cerniera laterale, bensì comprendente almeno tre martinetti a pantografo, interposti tra detto telaio fisso e detto telaio mobile, e le cui connessioni ai telai fisso e mobile, consentano i necessari spostamenti angolari reciproci tra questi elementi conseguenti alle variazioni di giacitura del telaio mobile, garantendo in questo modo il duplice grado di libertà.
Questo ritrovato lascia irrisolto il problema tecnico di garantire il duplice grado di libertà con un solo attuatore. Ed infatti per far ruotare il pannello su due assi rotazionali, questo brevetto necessita di tre martinetti a pantografo, mentre il ritrovato in oggetto utilizza un particolare giunto (13), preferibilmente costituito da due assi di accoppiamento mutualmente ortogonali, che consente al telaio mobile di effettuare una duplice rotazione grazie ad un solo attuatore (8).
Ulteriore ritrovato è dato da WO/2012/131741 ― data di pubblicazione 04.10.2012 dal titolo “Sun follower with parallel kinematics and process for controlling such follower” appartenente al Politecnico di Torino 2.
Questo trovato descrive un inseguitore solare a cinematica parallela composto da almeno una base di supporto fissa e da almeno una struttura mobile controllata ed atta a sostenere almeno un modulo fotovoltaico. Tra detta base di supporto fissa e detta struttura mobile sono interposti tre mezzi attuatori a cinematica parallela atti a movimentare detta struttura mobile per orientarla verso il Sole e mantenere costantemente prossimo a zero l’angolo tra la normale al piano del modulo fotovoltaico e la direzione di provenienza della luce solare: poiché ogni braccio dei mezzi attuatori è accoppiato ad ambo le parti, sono definiti meccanismi a cinematica chiusa, molto robusti.
La struttura mobile che questo ritrovato divulga ha quindi due gradi di libertà di rotazione,corrispondente al moto secondo gli assi azimutale e zenitale e tre mezzi attuatori a cinematica parallela con almeno due motori per azionarli.
Anche in questo caso rimane irrisolto il problema tecnico di garantire il duplice grado di libertà con un solo attuatore.
Si riporta per completezza nell’arte nota anche il brevetto WO/2010/035212 ― data di pubblicazione 01.04.2010, dal titolo “Photovoltaic panel support structure with polar axis of rotation” appartenente a SOLID ENGINYERIA S L. (+2).
Si riferisce ad una struttura di supporto per pannelli fotovoltaici, di grande semplicità strutturale, leggera e dal montaggio facile e veloce, particolarmente adatta per l'installazione sui tetti degli edifici.
Essa infatti, si presenta pre-assemblata in configurazione ripiegata, compatta e facile da trasportare. L’installatore dovrà solo dispiegarla, fissarla sul tetto dell’edificio e montare i pannelli sugli assi polari di rotazione.
In particolare, questa struttura che supporta almeno un asse di rotazione polare per almeno un pannello solare, si compone di una base con due profili supporto paralleli, caratterizzata dal fatto che detto asse di rotazione polare è montato in un telaio trapezoidale a cerniera, la cui base, che unisce detti profili di supporto paralleli, corrisponde al suo asse di rotazione. Ciò fa si che, in una posizione abbassata, detto asse di rotazione polare resti nel piano determinato da detti profili di supporto paralleli, con le sue estremità contigue a ciascuno di detti profili. Nella posizione sollevata, invece, detto asse di rotazione polare è inclinato (<50°) rispetto al piano orizzontale e in un piano perpendicolare all'asse longitudinale di detti profili paralleli.
Questo ritrovato ha una struttura con forma funzionale trapezoidale, che anticipa una parte del telaio mobile del ritrovato in oggetto. Essa tuttavia lascia irrisolto il problema della doppia rotazione con un unico mezzo attuatore.
PROBLEMA TECNICO
Alla luce dello stato dell’arte come sopra descritto il problema tecnico cui il presente ritrovato intende dare soluzione è attinente al dotare un pannello fotovoltaico da solaio, di un telaio mobile in grado di garantire un doppio asse di libertà, mediante un unico attuatore, attraverso una struttura semplice, leggera ed economica, particolarmente adatta per impianti leggeri da solaio.
La soluzione a tale problema tecnico è realizzata associando al telaio mobile un giunto (13), preferibilmente costituito da due assi di accoppiamento mutualmente ortogonali, che scorre in senso trasversale, lungo un asse di una guida di scorrimento (14) e contemporaneamente ruota intorno al predetto asse spostandosi, anche intorno all’asse trasversale asse est-ovest, che conferisce al pannello (11) il movimento di beccheggio. Il giunto biassiale è in grado così di esprimere 2 gradi di libertà, rotazione attorno all’asse della guida telescopica (14) e traslazione telescopica lungo l’asse della guida (14). In tal modo il gruppo basculante conferisce al supporto dei pannelli (12) il grado di libertà in rollio e assorbe, nel movimento telescopico, il moto in beccheggio conferito dal gruppo oscillante di beccheggio, quindi di fatto non ostacolandolo.
DESCRIZIONE DI UNA O PIÙ FORME DI ATTUAZIONE Questi ed altri scopi sono raggiunti da un Inseguitore solare per pannelli solari, del tipo comprendente un telaio fisso ancorato ad un sostegno zavorrato o direttamente al pavimento, e un telaio mobile per il supporto di un pannello solare e mezzi per permettere l’inclinazione del telaio mobile rispetto al telaio fisso, sia in rollio che in beccheggio, con due gradi di libertà attraverso un unico attuatore.
Più in particolare detto inseguitore solare comprende:
• Un telaio fisso autoportante (A): Rappresentato in fig. 21. Tale telaio rappresenta la parte fissa della struttura ed è idoneo ad essere ancorato al solaio o a dei supporti zavorrati, idonei ad essere posizionati sul terreno. Nell’esempio portato in figura 21, il telaio fisso autoportante (A) è costituito da almeno due profilati di base longitudinali (4) collegati fra loro da elementi che li rendono solidali per mezzo di due coppie di cerniere poste alle estremità dei profilati di base longitudinali (4) e ortogonali ad essi e da un montante verticale frontale (19) solidale ai profilati di base (4). Quello riportato in figura 21 è solo un esempio di telaio fisso autoportante (A), ben potendo lo stesso avere forme costruttive differenti, purché idonee a fornire i fulcri fissi per il telaio mobile a sua volta comprendente almeno tre sottoassiemi: ovvero e rispettivamente il gruppo oscillante di beccheggio (B), il gruppo oscillante di rollio (C), l’almeno un gruppo oscillante di unione (D). Un montante verticale frontale (19) è solidale ad una boccola (15), vincolata tramite una cerniera al mezzo rotante di unione (3) del gruppo oscillante di beccheggio (B) che riesce così ad esprimere 1 grado di libertà intorno all’asse trasversale Est-Ovest, che corrisponde ad un movimento di beccheggio.
• Un telaio mobile formato da tre sottoassiemi:
• Gruppo oscillante di beccheggio (B): Costituito da almeno due coppie di segmenti, di cui ciascuna formata da un segmento esterno (1) ed uno interno (2) agganciati ad un mezzo rotante (3), il quale è girevolmente accoppiato tramite la boccola (15) al Telaio Fisso (A). Il moto rotatorio viene conferito al mezzo rotante (3) dal movimento oscillatorio in beccheggio della coppia di segmenti. Il segmento esterno (1), di ciascuna coppia, è vincolato a fulcro tramite cerniere con i profilati di base longitudinali (4) del telaio fisso (A), è solidale con l’almeno un gruppo oscillante di unione (D) da un lato e dall’altro con i segmenti esterni (2). I segmenti esterni (2) sono vincolati a cerniera da un lato ai segmenti interni (1) e dall’altro al mezzo rotante d’unione (3), conferendo ad esso il moto intorno alla boccola (15). Il mezzo rotante di unione (3) è girevolmente accoppiato tramite la boccola (15) al telaio fisso (A) descrivendo un movimento rotatorio vincolato dall’oscillazione massima che può effettuare il giunto (13) che scorre i senso trasversale dentro la guida di scorrimento (14). Il moto di avanzamento diurno di tale sottoassieme con un grado di libertà a beccheggio è raffigurato nelle figure 9,10,11.
• Almeno un gruppo oscillante di unione (D): fissato da una parte al gruppo oscillante di beccheggio (B) e dall’altra parte al gruppo oscillante di rollio (C). Più in particolare esso è formato da almeno un segmento di unione (17), fissato al gruppo oscillante di beccheggio (B) e più in particolare al suo segmento esterno (1) e al gruppo oscillante di rollio (C) e più in particolare ai suoi lati esterni verticali (5). Tale gruppo oscillante laterale (D) trasmette il movimento oscillatorio dal gruppo oscillante di rollio (C) al gruppo oscillante di beccheggio (B), con un grado di libertà ciascuno. Il moto di avanzamento diurno di tale sottoassieme (almeno un gruppo oscillante laterale) è oscillante intorno all’asse longitudinale Nord-Sud definito quindi rollio ed è raffigurato nelle figure 18,19,20. Nelle figure i gruppi laterali sono stati rappresentati con due segmenti di unione (17) e (18) uniti al vertice sul segmento esterno (1) del gruppo oscillante di beccheggio (B) ma l’unione potrebbe essere effettuata grazie ad un unico segmento di unione (17) così come da più segmenti. La forma e le altezze non sono rilevanti, anche se quella mostrata in figura (triangolo) è la forma di attuazione preferita.
• Gruppo oscillante di rollio (C): comprende almeno due segmenti esterni verticali (5) rispetto al suolo, fissati al telaio fisso (A) per un’estremità e al telaio oscillante (6) per l’altra estremità, con possibilità oscillatoria di rollio (intorno all’asse longitudinale Nord-Sud) di 1 grado di libertà. Detto gruppo oscillante di rollio (C) alloggia tramite un supporto (7) idoneo allo scopo una vite senza fine (9) che passa da vite madre (10) idonea a conferire il movimento al gruppo oscillante di rollio (C) e per il suo tramite all’intero telaio mobile. Il moto di avanzamento diurno di tale sottoassieme è raffigurato nelle figure 12,13 e 14.
Il duplice movimento di beccheggio, proprio del gruppo oscillante di beccheggio (B) e di rollio, proprio sia del gruppo oscillante di rollo (C) che del gruppo oscillante di unione (D) è attivato da un unico attuatore (8), che muove una vite senza fine (9), come descritto in seguito.
Entrambi i movimenti sono trasmessi ad un supporto di ancoraggio (12) idoneo ad alloggiare dei pannelli termici o fotovoltaici che forma un corpo unico con un segmento di giuntura (16), grazie all’azione congiunta del telaio mobile e del giunto (13), ove detto giunto è preferibilmente costituito da due assi di accoppiamento mutualmente ortogoali, aforma di T, ed è accoppianto alla guida di scorrimento,posta sul telaio mobile (in particolare sul sottoassieme di beccheggio). Sul supporto di ancoraggio detto (12) vengono fissati tramite opportuni binari e agganci specifici i pannelli (11) termici o fotovoltaici. Il supporto di ancoraggio (12) e il segmento di giuntura (16) formanti un corpo unico si uniscono al giunto (13) incernierato ad un estremo del segmento di giuntura (16) con 1 grado di libertà ( in beccheggio) rispetto ad esso. Il supporto di ancoraggio (12) è collegato al gruppo oscillante di rollio (C) tramite 2 cerniere e tramite un’altra cerniera al giunto (13). Il giunto (13) a che presenta preferibilmente due assi di accoppiamento mutuamente ortogonali, conferendogli una forma a T, è accoppiato lungo l’asse più lungo alla guida di scorrimento (14) del gruppo oscillante di beccheggio (B). Rispetto a tale guida di scorrimento (14) il giunto (13), relativamente all’asse più lungo di accoppiamento è libero di esprimere 2 gradi di libertà: rotazione attorno all’asse della guida di scorrimento (14) e traslazione lungo l’asse della guida di scorrimento (14). Rispetto all'elemento di giuntura (16) il giunto (13) è libero di esprimere 1 grado di libertà di rotazione attorno al suo secondo asse di accoppiamento, in senso di beccheggio.
Descrizione del principio di funzionamento.
Un attuatore (8) come per esempio un motore elettrico rotativo, comandato da relais pilotati da un circuito elettronico o da un plc (programmatore logico di computo), fa compiere un movimento diurno di avanzamento completo ad una vite senza fine (9) che si accoppia con l’elemento di supporto (7) e la madrevite (10), imponendo un vincolo alla distanza minima e massima fra due punti prefissati di due lati consecutivi del gruppo oscillante di rollio (C). Opportuni sensori di finecorsa stabiliscono gli estremi di tale movimentazione. Il movimento progredisce partendo da una posizione di partenza (indicata in Fig.12), transitando in un posizioni intermedie (come la posizione indicata in Fig. 13 a mezzogiorno astronomico, quando il sole si trova in direzione Sud nell’emisfero boreale) e terminando nel pomeriggio nella posizione indicata in Fig.14. Tale movimento viene percorso al contrario durante la notte, portando nuovamente il sistema nella posizione di fig. 12 all’alba del giorno successivo. Il meccanismo imprime al gruppo oscillante di rollio (C) un movimento oscillante per cui i suoi lati esterni verticali (5) rispetto al suolo hanno un’inclinazione positiva la prima parte della giornata, verticale al mezzogiorno astronomico e negativa la seconda parte della giornata da mezzogiorno a tramonto, vedi progressione delle Fig. 12,13,14. Opportuna programmazione di avanzamento dell’attuatore (8), costituito dal motore elettrico rotativo farà in modo di impostare l’angolo di inclinazione ottimale ogni ora del giorno. Il gruppo oscillante di rollio (C), che detta così il moto, trasferisce il movimento all’almeno un gruppo oscillante di unione (D) tramite i lati esterni verticali (5) del telaio oscillante (6) e al supporto di ancoraggio (12) tramite la coppia di cerniere longitudinali poste tra il telaio oscillante (6) e il supporto di ancoraggio (12) dei pannelli. L’almeno un gruppo di oscillazione di unione (D), a sua volta trasferisce il movimento al gruppo oscillante di beccheggio (B) tramite i primi segmenti (1), cui sono ancorati. Il giunto (13) viene mosso dal gruppo oscillante di beccheggio (B) dal mezzo rotante (3) e si muove facendo giacere uno dei suoi assi di accoppiamento su di una immaginaria superficie cilindrica descritta dal moto della guida di scorrimento (14), impresso a sua volta dal mezzo ruotante di unione (3), che ruota, trasformando così il movimento di rollio ricevuto dall’almeno un gruppo oscillante di rollio (C), per il tramite dell’almeno un gruppo di unione (D), in movimento di beccheggio, conferito al gruppo oscillante di beccheggio (B). La combinazione dei movimenti di rollio del telaio oscillante (6) e di beccheggio del giunto (13) imprimono al supporto dei pannelli (12) e quindi ai pannelli solari (11) ( termici o fotovoltaici ) un movimento diurno che è simultaneamente di beccheggio (intorno all’asse trasversale est-ovest) e di rollio (intorno all’asse longitudinale nordsud) andando a seguire il moto diurno del sole ed ottenendo così con un solo attuatore (8) ciò che si potrebbe ottenere con un sistema di orientamento a due assi con due attuatori pilotati separatamente. Figure 3,4,5,6,7,8.
Claims (10)
- Rivendicazioni 1) Inseguitore solare per pannelli termici o fotovoltaici, puntati a SUD (o Nord nell’emisfero australe) del tipo comprendente un telaio fisso (A) ancorato al suolo, un telaio mobile, per il supporto di un pannello fotovoltaico o termico (11), in cui detto telaio mobile è azionato da un attuatore (8) che spinge una vite senza fine, conferendo ai pannelli una prima inclinazione di rollio, intorno all’asse longitudinale (Nord-Sud), caratterizzato da almeno un giunto (13) interposto tra il telaio mobile e il supporto di ancoraggio dei pannelli (12), con la funzione di conferire al supporto di ancoraggio dei pannelli (12) una seconda inclinazione di beccheggio intorno all’asse trasversale Est-Ovest.
- 2) Inseguitore solare come in rivendicazione 1, in cui detto giunto (13) è preferibilmente costituito da due assi di accoppiamento mutuamente ortogonali, a forma di T, ed è accoppiato alla guida di scorrimento (14) posta sul telaio mobile.
- 3) Inseguitore solare come in rivendicazione 1, in cui detto giunto (13) è azionato in senso rotatorio, intorno all’asse della guida di scorrimento (14), da un mezzo rotante (3) che è girevolmente accoppiato al telaio fisso (A) e che è a sua volta azionato dal telaio mobile.
- 4) Inseguitore solare come in rivendicazione 1, in cui detto giunto (13) è azionato in senso traslativo lungo l’asse della guida di scorrimento (14) dal supporto di ancoraggio dei pannelli (12), cui è solidale, ove detto supporto di ancoraggio dei pannelli (12) è azionato a sua volta dal telaio mobile.
- 5) Inseguitore solare come in rivendicazione 1, in cui il telaio mobile comprende almeno tre sottoassiemi attivati nel movimento da un unico attuatore (8), che spinge una vite senza fine (9).
- 6) Inseguitore solare come in rivendicazione 1 e 5, in cui uno degli almeno tre sottoassiemi è un gruppo oscillante di rollio (C), connesso al telaio fisso (A), al gruppo oscillante di unione (D) e al supporto di ancoraggio dei pannelli (12), dotato di mezzi a cerniera, per permetterne l’oscillazione intorno all’asse longitudinale Nord-Sud ed azionato dalla vite senza fine (9), che i uso conferisce ai pannelli (11) il movimento di rollio.
- 7) Inseguitore solare come da rivendicazione 1 e 5, in cui uno degli almeno tre sottoassiemi è un gruppo oscillante di unione (D) connesso al gruppo oscillante di rollio (C) e al gruppo oscillante di beccheggio (B), azionato dal primo intorno all’asse longitudinale Nord-Sud e azionante il gruppo oscillante di beccheggio (B).
- 8) Inseguitore solare come da rivendicazione 1 e 5, in cui uno degli almeno tre sottoassiemi è un gruppo oscillante di beccheggio (B), connesso al gruppo oscillante di unione (D), al telaio fisso (A) e al giunto (13), dotato di mezzi a cerniera, per permetterne l’oscillazione attorno all’asse trasversale Est-Ovest, e trasmettere un moto rotatorio al giunto (13) intorno alla guida di scorrimento (14), per mezzo del mezzo rotante (3).
- 9) Inseguitore solare di cui alla rivendicazione 1) in cui un supporto di ancoraggio dei pannelli (12) è sovrapposto al gruppo oscillante di rollio (C), ed è solidale con il giunto (13), così da avere una simultanea inclinazione intorno all’asse trasversale Est-Ovest e longitudinale Nord-Sud.
- 10) Inseguitore solare come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente, inoltre, un programmatore logico di computo idoneo ad azionare l’attuatore (8) e programmare il movimento diurno di avanzamento completo di una vite senza fine (9), imponendo un vincolo alla distanza minima e massima di oscillazione del gruppo oscillante di rollio (C), utilizzando anche opportuni sensori di fine corsa, in modo da mantenere il pannello (11) perpendicolare rispetto al sole durante le ore diurne e riportandolo nelle ore notturne nella posizione di partenza.
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