WO2016107954A1 - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración - Google Patents

Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración Download PDF

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WO2016107954A1
WO2016107954A1 PCT/ES2015/070961 ES2015070961W WO2016107954A1 WO 2016107954 A1 WO2016107954 A1 WO 2016107954A1 ES 2015070961 W ES2015070961 W ES 2015070961W WO 2016107954 A1 WO2016107954 A1 WO 2016107954A1
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solar tracker
high concentration
photovoltaic solar
concentration photovoltaic
beams
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Ignacio NOLASCO MOMPEÁN
Sebastián CAPARRÓS JIMÉNEZ
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Abengoa Solar New Technologies S.A.
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention is part of the technical sector of photovoltaic solar energy, and more specifically, in the field of solar trackers.
  • a high concentration photovoltaic solar tracker is described in which the modules of high solar concentration are part of the structure of the tracker intended to support them and act as its beams, collaborating in the distribution of loads and decreasing the total weight of the same .
  • concentration photovoltaic systems To maximize the production of concentration photovoltaic systems, it is necessary to minimize the error of targeting of the followers to the sun.
  • concentration factor of the photovoltaic systems the higher the concentration factor of the photovoltaic systems, the more demanding the requirement of minimizing said pointing error is made. That is, an increase in the concentration factor implies a decrease in the angle of acceptance of the optical system.
  • Solar trackers with two degrees of freedom can be classified in monopods that comprise a foot composed of a single vertical shaft on which the tracking mechanism and the pickup plane are placed, and that of a carousel that is made up of a spatial structure that supports on a plurality of rolling supports.
  • the structural elements that make up this type of solar tracker are: a pole to transmit the load to the foundation, a pair of arms to stiffen the assembly (minimize deformations to meet the aiming requirements and provide the system with adequate resistance), and a set of lattices to form the matrix on which the solar collection elements rest.
  • the main forces that a solar tracker must support are its own weight, the inertial forces due to the movement of the tracker and the most common wind speeds in the area. Solar trackers should have minimal deformation when they are subjected to these forces to minimize pointing error. The solar tracker must be able to continue operating under the efforts it suffers without its structure becoming too deformed.
  • a very important technical problem associated with the conditions described is that in order to withstand certain forces, more steel mass must be added to the solar tracker structure. This is associated with an increase in costs and weight and also has a negative impact on the accuracy of the aiming (due to the more complicated the movement to the specific position becomes more complicated). It is also essential to maintain a minimum pointing error which is directly related to improving the resistance to avoid deformations caused by the efforts of weight, wind and inertial forces. Solutions such as those described in US20090107542 are known from the state of the art, which propose the use of tension cables. A technical problem associated with the use of this solution is that it comprises a plurality of support elements arranged on the lenses of the solar collector that cause shadows and therefore decrease the efficiency of the collector. In addition, the structure proposed in said document comprises a single mast from which the cables start that would not be sufficiently resistant against the wind loads that must be supported on the collector. Another drawback of this solution is that there is no structural continuity between the elements of the collector.
  • the present invention describes a high concentration photovoltaic solar tracker in which the solar collection elements are modules comprising a housing, at least one integrated primary concentration lens, at least one photovoltaic cell and wiring.
  • the modules are shaped so that they act as a structural element of the follower itself.
  • the structural modules are supported by structural elements, such as lattices, and with the present invention part of these structural support elements are eliminated.
  • the modules act as structural elements, they can withstand loads, transmit loads to the rest of the structure and withstand deformations caused by said loads deforming minimally. Also, one of the most important advantages associated with the proposed new configuration is that it is possible to reduce the mass of the follower structure.
  • each high concentration photovoltaic module acts as an independent element while with the configuration of the proposed solar tracker the modules are linked together, forming secondary beams, and to the main beams.
  • the high concentration photovoltaic solar tracker comprises a structure with a ground-based pole configured to transmit the loads of the structure to the ground, a drive mechanism and a plurality of solar collection elements.
  • the drive mechanism could be of the electromechanical or hydraulic type.
  • each beam could be made up of a single large module so that each module acts as a single beam.
  • the structure of the solar tracker described comprises main beams that are arranged at the ends of each block of modules and that are perpendicular to them.
  • Each set of adjacent modules linked together or each large module make up the secondary beams that are arranged between the main beams, preferably perpendicular to them.
  • the main beams are two central main beams that comprise in their central part elements of attachment to the drive mechanism and two exterior main beams that are each facing a central main beam.
  • the central main beams are arranged one on each side of the pole attached to the mechanism intended for the orientation of the solar tracker by means of a rigid connecting element.
  • the main beams are the secondary beams formed by the union of a plurality of modules or by a large module.
  • the modules have straight prisms configuration with side walls configured to form a rigid joint with the side walls of adjacent modules forming secondary beams.
  • These secondary beams are part of the solar tracker's own structure acting on the transfer of loads, stiffening the assembly formed by the secondary beams themselves and by the main beams, and absorbing efforts such as the main beams.
  • the secondary beams are rigidly attached to the corresponding main beams (they are arranged between a central main beam and the outer main beam facing it).
  • the modules with the primary concentration lenses were arranged on the structural support elements of modules (which are generally lattices) and screwed to them so that they behave as an additional suspended mass than the structure of the solar tracker has to endure.
  • the structural support elements of the state of the art are very thick which implies that a lot of steel is necessary for its manufacture and this increases the cost and mass of the follower structure.
  • the modules are rigidly connected to each other forming secondary beams (they act in the distribution of loads) and are rigidly joined together the main beams.
  • the modules contribute to increasing the rigidity of the follower since, given their structural configuration, they work very well in torsion and bending.
  • connection between modules is made by means of intermediate pieces that allow a rigid connection to the adjacent modules (optionally to the side covers).
  • These pieces can be for example horseshoes adapted to the perimeter of the side walls or have another configuration that allows such a joint to be made.
  • the rigid union between pieces can be done by rivets, screws, continuous spot welding, etc.
  • the solar tracker can also comprise torsion arms that extend from the joining element of the central main beams and extend in a perpendicular direction to the main exterior beams. That is, the torsion arms extend between the connecting element of the central main beams and the main exterior beams. This embodiment is intended for solar trackers in which the structural modules of the central part of the collection surface suffer deformations due to high loads.
  • the torsion arms free of load from said central structural modules.
  • the solar tracker may comprise an upper support structure formed by at least: - a mast that extends from the central main beams perpendicular to the catchment surface (consisting of the main beams and the secondary beams), and
  • the suspension elements are distributed so that they do not shade the collection elements (high concentration photovoltaic modules). Thus they provide the advantage that they allow distributing the loads that support the main and secondary beams without negatively affecting the production of the solar tracker.
  • suspension elements are attached at least to the midpoints of the central main beams and to the midpoints of the outer main beams.
  • the suspension elements work under tension to counteract the forces due to the follower's own mass and to the wind acting against the catchment surface. .
  • This allows to reduce the deformations in the modules and in the main beams.
  • the solar tracker comprises a superior support structure the tracker no longer has a corbel type structure like the solar trackers of the prior art but has a biapolated structure (this type of structures undergoes minor deformations) .
  • the preferred embodiment of the present invention is the embodiment in which the follower has structural modules rigidly bonded together and acting as secondary beams rigidly attached to the main beams, and also has the upper support structure.
  • the upper support structure is especially advantageous because by changing the configuration and adding the main beams and the modules that make up the secondary beams a much lighter structure has been obtained. In order to deform the structure it would be necessary for the support elements to deform and yield but the support elements are capable of supporting the loads due to their mass or wind and therefore ensure the non-deformation and stability of the assembly.
  • Figure 1 Shows a perspective view from the top of the solar tracker where the main beams and the secondary beams formed by the plurality of modules are appreciated.
  • Figure 2 - Shows a perspective view from the bottom of the solar tracker shown in Figure 1.
  • Figure 3. Shows a view of a secondary beam with a plurality of modules rigidly joined together.
  • Figure 4. Shows a view of the main beams and the upper support structure that the solar tracker can comprise.
  • Figure 5. Shows a perspective view of the solar tracker in the embodiment in which it comprises the upper support structure.
  • a high concentration photovoltaic module solar tracker is proposed with a ground post (1) configured to transmit the loads of the structure to the ground and with a tracking mechanism arranged at the upper end (2) of the post (1) .
  • the follower comprises a plurality of primary concentration lenses to capture solar radiation.
  • a first embodiment is a solar tracker of high concentration photovoltaic modules.
  • the collection surface on each side is made up of a central main beam and an exterior main beam, and arranged between them are the high concentration photovoltaic modules forming the secondary beams (or a large module that is itself a secondary beam ).
  • the two central main beams (4) comprise in their central part connecting elements (5) intended to make the connection to the drive mechanism.
  • the connection is made at the upper end (2) of the post, where the tracking mechanism is.
  • two exterior main beams (6) are arranged, each parallel to a central main beam (4).
  • the solar tracker comprises solar collection elements that are high concentration photovoltaic modules (7) having a primary concentration lens (3) integrated in one of its faces.
  • Said modules (7) are connected to each other with a rigid joint.
  • the modules (7) have a configuration of straight prisms with side walls (8) configured to rigidly join with the side walls (8) of adjacent modules (7) forming beams secondary (20).
  • These secondary beams (20) are rigidly connected to a central main beam (4) and an external main beam (6) facing it, acting as an integral part of the structure of the follower itself.
  • the side walls (8) are sheets of approximately 1 mm thick and are conveniently stiffened by ribs.
  • These side walls (8) act as connecting flanges between modules (7) and between modules (7) and the main beams (4, 6).
  • These joints are capable of transmitting bending and torsion forces.
  • these joints are made by screws but could also be by welding.
  • the high concentration photovoltaic modules (7) comprise at least one primary concentration lens (3) that is the upper face of the module (7) and lower and side walls (8) formed of steel sheet.
  • the lens (3) is made of glass for transmitting the light of the solar spectrum and for being resistant to high temperatures.
  • Said modules (7) work in a mixed way since the primary concentration lens (3) acts to withstand the compressive loads and the steel sheet of the walls, which is thin, acts to withstand the tensile loads. Thanks to the configuration of the proposed module (7), very advantageous results are obtained in terms of stress support, since the two materials (glass lens and steel housing) work in the best conditions for them. In addition to being a closed module (7) good results in torsion work are also achieved.
  • connection between modules (7) is carried out by means of intermediate pieces that are joined to the modules (7) by rivets and which allow a rigid connection to the side walls (8) of adjacent modules (7).
  • These pieces can be for example horseshoes adapted to the perimeter of the side walls (8).
  • the essential conditions of the modules is that they adapt to the working conditions of the solar tracker with the minimum possible deformation, resisting the wind load without reaching the plasticizing stresses of the steel, not allowing the glass of the lenses to fracture and being stable against buckling of the sheets that make up its walls.
  • the primary concentration lens (3) is a structural component of the module (7) and is capable of withstanding deformations and load stresses by being attached to the housing by means of a structural adhesive that also gives the system some flexibility.
  • a structural adhesive that also gives the system some flexibility.
  • An example of adhesive would be a silicone.
  • the set of secondary photovoltaic and optical cells are arranged.
  • heat dissipation means consisting of an active or passive cooling system can be provided to evacuate the heat that is produced in the cell (high temperature of the cell).
  • the heat sinks can be external to the module, internally there may be some thermal paste stuck between the cell and the housing.
  • the main beams (4, 6) are made of steel sheet. They may have, for example, a "C” configuration so that the secondary beams (20) are arranged between the “C” arms to ensure that it fits better.
  • the main beams may have other configurations but the requirement they must meet is that there is at least one flat face to which the secondary beams (20) are attached.
  • the main beams (4, 6) could comprise a plurality of first stiffeners (21) arranged in a transverse direction.
  • the first stiffeners (21) are welded to the main beams to improve the behavior against torsional buckling and lateral buckling of the compressed wing.
  • the main beams transmit the forces to the area of connection with the post (1) of the solar tracker.
  • the main central beams (4) have a greater thickness than the exterior beams (6) since they have to withstand greater loads and also they comprise the connecting elements (5) to the post (1).
  • the follower structure may comprise connecting elements between main beams (10) which are parts intended to connect the two central main beams together.
  • These connecting elements between main beams (10) are arranged at the ends of the central main beams and allow the loads to pass between them and help stabilize the structure.
  • It can also comprise second stiffeners (19) that extend along the lower walls of the modules (7) between the central main beams (4) and the outer beams (6) to avoid excessive deformation when the solar tracker is moved to the vertical position, that is, to the position where the catchment surface is practically perpendicular to the ground.
  • the advantage that the solar tracker can be placed in an upright position is obtained thanks to the fact that it comprises the connecting elements of the main beams that provide structural continuity.
  • Other advantages associated with the use of the proposed configuration are that the assembly of the assembly is simple.
  • the structure of the solar tracker may comprise an upper support structure comprising at least one mast (1 1) formed by a lattice that extends from the central main beams (4) at the point where the joining elements (5) are to the post (1) perpendicularly to said central main beams (4), and support elements (12) that start from the mast (1 1) and which are attached to the central main beams (4) and to the main exterior beams (6 ).
  • the mast (1 1) is formed by a lattice with hollow tubular profiles and It comprises four straight profiles (14) that are arranged two on each central main beam (4) on each side of the connecting elements (5) with the post (1).
  • the mast (1 1) collects the forces transmitted by the support elements (12) and transmits them to the post (1) through the connecting elements (5).
  • the upper support structure comprises additional support elements (13) extending from the mast (1) to a point of the central main beams (4).
  • additional support elements (13) extend to the midpoint of the central main beams (4). The position will depend on the concrete design of the solar tracker. These support elements transmit the efforts of the central main beams (4) to the mast (1 1) and from there to the post (1).
  • the support elements (12) comprise a first portion (15) that goes from the mast (1 1) to an inflection point (18) in which it joins a second portion (16) that extends to the corresponding outer main beam (6) and a third portion (17) that extends to the corresponding central main beam (4).
  • An indispensable condition that the support elements (12) must fulfill is that the compression stress of the third portion (17) that works under compression under pressure load plus gravitational load (perpendicular load to the modules (7) acting on the lenses (3) of primary concentration towards the ground) is equal to the compression effort of the first portion (15) and the second portion (16) that work under compression under more gravitational suction load (perpendicular load to the modules (7) acting on the lower faces of the modules (7) from the ground).
  • the length of the mast (1 1) must be such that the angles formed by the portions of the support elements (12) and with the mast (1 1) minimize the buckling length of the portions (15, 16, 17) of the support elements (12). The length of the mast must also meet the condition of being the minimum possible by meeting the above conditions to have less material and lower costs.
  • the high concentration solar tracker described here allows to support loads of up to 30 km / h of wind in a collapsed position (position in which the collection surface is inclined so that the normal surface of said surface is parallel to the sun's rays ) and up to 140 km / h in a safety position (position in which the catchment surface is parallel to the ground facing upwards so that in case of strong wind it impacts as little as possible on said catchment surface).
  • the solar tracker of the preferred embodiment in which it comprises high concentration photovoltaic modules that act as structural elements and the upper support structure can withstand the same wind loads as a solar tracker more than twice the weight of the present one. invention. That is, with half the weight (and therefore with much less cost) the same resistance results are obtained as with the solar trackers of the prior art.
  • the weight of the solar tracker has been reduced to an approximate range of between 890 and 1000 kg.

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Abstract

Seguidor solar fotovoltaico con una estructura que comprende un poste (1) con cimentación en el suelo configurado para transmitir las cargas de la estructura al suelo, un mecanismo de accionamiento y una pluralidad de elementos de captación solar. El seguidor solar tiene una masa menor que los conocidos del estado de la técnica y soporta mejor los esfuerzos debido a que comprende al menos unas vigas principales (4, 6) entre las que se encuentran una pluralidad de módulos (7) estructurales,en los que se alojan los elementos de captación solar, que están unidos rígidamente entre sí y a una viga longitudinal central (4) y una viga longitudinal exterior (6) enfrentada a ella. Preferentemente comprende también una estructura de soporte superior que trabaja a tracción para disminuir las deformaciones en la estructura.

Description

SEGUIDOR SOLAR FOTOVOLTAICO PARA ALTA CONCENTRACIÓN
D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el sector técnico de la energía solar fotovoltaica, y más concretamente, en el campo de los seguidores solares. Se describe un seguidor solar fotovoltaico para alta concentración en el que los módulos de alta concentración solar forman parte de la propia estructura del seguidor destinada a soportarlos y actúan como vigas de ésta, colaborando en el reparto de cargas y disminuyendo el peso total de la misma. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Para maximizar la producción de los sistemas fotovoltaicos de concentración es necesario minimizar el error de apuntamiento de los seguidores al sol. En general, cuanto mayor es el factor de concentración de los sistemas fotovoltaicos, más exigente se hace el requisito de minimizar dicho error de apuntamiento. Es decir, un aumento del factor de concentración conlleva una disminución del ángulo de aceptancia del sistema óptico.
En el campo de la alta concentración fotovoltaica (>1000x), se estima que el máximo error de apuntamiento que pueden sufrir los seguidores solares es del orden de milirradianes. Dicho error es de un grado de precisión similar al de los mecanismos seguidores de los heliostatos. Los seguidores solares tienen dos grados de libertad para poder cumplir estos requisitos de apuntamiento tan estrictos. La normal de la superficie captadora del seguidor solar debe quedar paralela a la dirección de los rayos del sol por lo que es necesario poder mover el seguidor solar para regular su posición en dos ejes y conseguir un ajuste perfecto. Los seguidores solares con dos grados de libertad se pueden clasificar en monoposte que comprenden un pie compuesto por un solo fuste vertical sobre el que se coloca el mecanismo de seguimiento y el plano captador, y el de carrusel que está conformado por una estructura espacial que apoya sobre una pluralidad de apoyos rodantes.
En los seguidores solares monoposte los esfuerzos estructurales se transmiten al terreno a través del poste central por lo que resulta necesaria una cimentación muy sólida. Los elementos estructurales que componen este tipo de seguidores solares son: un poste para transmitir la carga a la cimentación, un par de brazos para rigidizar el conjunto (minimizan las deformaciones para cumplir los requisitos de apunte y dotar al sistema de la resistencia adecuada), y un conjunto de celosías para conformar la matriz sobre la que descansan los elementos de captación solar.
Las fuerzas principales que debe soportar un seguidor solar son su propio peso, las fuerzas inerciales debidas al movimiento del seguidor y a las velocidades del viento más comunes en la zona. Los seguidores solares deben tener una mínima deformación cuando se ven sometidos a estas fuerzas para minimizar el error de apuntamiento. El seguidor solar debe poder seguir funcionando bajo los esfuerzos que sufre sin que su estructura se deforme demasiado.
Un problema técnico muy importante asociado a las condiciones descritas es que para resistir unas fuerzas determinadas hay que añadir más masa de acero en la estructura del seguidor solar. Esto lleva asociado un aumento de costes y de peso y además repercute negativamente en la precisión de apuntamiento (debido a que al pesar más se hace más complicado el movimiento hasta la posición concreta). Además es esencial mantener un error de apuntamiento mínimo lo cual está directamente relacionado con mejorar la resistencia para evitar que haya deformaciones causadas por los esfuerzos del peso, el viento y las fuerzas inerciales. Del estado de la técnica se conocen soluciones como por ejemplo la descrita en el documento US20090107542 que plantean el empleo de cables de tensión. Un problema técnico asociado al empleo de esta solución es que comprende una pluralidad de elementos de soporte dispuestos sobre las lentes del colector solar que provocan sombras y que por tanto disminuyen la eficiencia del colector. Además la estructura propuesta en dicho documento comprende un mástil único del que parten los cables que no sería lo suficientemente resistente frente a las cargas de viento que deben soportarse en el colector. Otro inconveniente de esta solución es que no hay continuidad estructural entre los elementos del colector.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un seguidor solar de módulos fotovoltaicos de alta concentración en el que los elementos de captación solar son unos módulos que comprenden una carcasa, al menos una lente de concentración primaria integrada, al menos una célula fotovoltaica y cableado. En la presente invención los módulos están conformados de manera que actúan como elemento estructural del propio seguidor. En los seguidores del estado de la técnica los módulos estructurales están soportados por elementos estructurales, como por ejemplo celosías, y con la presente invención se eliminan parte de esos elementos estructurales de soporte. Además, como los módulos actúan como elementos estructurales, pueden soportar cargas, transmitir cargas al resto de la estructura y soportar deformaciones causadas por dichas cargas deformándose mínimamente. Asimismo una de las ventajas más importantes asociadas a la nueva configuración propuesta es que se consigue reducir la masa de la estructura del seguidor. En la mayoría de los casos la reducción de masa de la estructura del seguidor que se puede conseguir para seguidores solares de una determinada potencia respecto a los que se conocen actualmente en el estado de la técnica es de más de la mitad de disminución de su masa propia. Esta ventaja de la disminución de la masa de la estructura del seguidor lleva asociada una disminución de las cargas que tiene que soportar la propia estructura (son menores por ser menor la masa) y además se reducen los esfuerzos de inercia que son directamente proporcionales a la masa del cuerpo.
En el estado de la técnica cada módulo fotovoltaico de alta concentración actúa como elemento independiente mientras que con la configuración del seguidor solar propuesto los módulos están unidos entre sí, conformando vigas secundarias, y a las vigas principales.
Estas vigas secundarias colaboran en la estructura del seguidor gracias a su gran rigidez a torsión, que limita la flexión de las vigas principales, y además permite que se limiten las deformaciones del conjunto al estar conectadas las vigas secundarias con las vigas principales.
El seguidor solar fotovoltaico para alta concentración comprende una estructura con un poste con cimentación en el suelo configurado para transmitir las cargas de la estructura al suelo, un mecanismo de accionamiento y una pluralidad de elementos de captación solar. El mecanismo de accionamiento podría ser del tipo electromecánico o hidráulico.
La clave del seguidor solar propuesto es que se han eliminado las estructuras de soporte de los módulos de captación solar comúnmente utilizadas en el estado de la técnica y se han sustituido por la pluralidad de módulos que forman las propias vigas. En un ejemplo de realización cada viga podría estar conformada por un solo módulo de gran tamaño de forma que cada módulo actúa como una sola viga.
La estructura del seguidor solar descrito comprende unas vigas principales que están dispuestas en los extremos de cada bloque de módulos y que son perpendiculares a ellos. Cada conjunto de módulos adyacentes unidos entre sí o bien cada módulo de gran tamaño conforman las vigas secundarias que están dispuestas entre las vigas principales, preferentemente perpendiculares a ellas.
Más concretamente las vigas principales son dos vigas principales centrales que comprenden en su parte central elementos de unión al mecanismo de accionamiento y dos vigas principales exteriores que están enfrentadas cada una a una viga principal central. Las vigas principales centrales se disponen una a cada lado del poste unidas al mecanismo destinado a la orientación del seguidor solar mediante un elemento de unión rígida. Entre las vigas principales se disponen las vigas secundarias conformadas por la unión de una pluralidad de módulos o por un módulo de gran tamaño. Los módulos tienen configuración de prismas rectos con paredes laterales configuradas para formar una unión rígida con las paredes laterales de módulos adyacentes conformando vigas secundarias. Estas vigas secundarias son parte de la propia estructura del seguidor solar actuando en la transferencia de cargas, rigidizando el conjunto formado por las propias vigas secundarias y por las vigas principales, y absorbiendo esfuerzos como las vigas principales. Además las vigas secundarias están unidas rígidamente a las vigas principales correspondientes (están dispuestas entre una viga principal central y la viga principal exterior enfrentada a ella).
En los seguidores solares del estado de la técnica los módulos con las lentes de concentración primaria estaban dispuestos sobre los elementos estructurales de soporte de módulos (que generalmente son celosías) y atornillados a ellos por lo que se comportan como una masa adicional suspendida que la estructura del seguidor solar tiene que soportar. Para soportar esta masa adicional los elementos estructurales de soporte del estado de la técnica son muy gruesos lo cual implica que es necesario mucho acero para su fabricación y esto hace que aumente el coste y la masa de la estructura del seguidor.
Por el contrario, en la presente invención los módulos están unidos rígidamente entre sí formando vigas secundarias (actúan en el reparto de cargas) y están unidos rígidamente a su vez las vigas principales. Además los módulos contribuyen a aumentar la rigidez del seguidor ya que dada su configuración estructural, trabajan muy bien a torsión y a flexión.
En otro ejemplo de realización la unión entre módulos se realiza mediante unas piezas intermedias que permiten una unión rígida a los módulos adyacentes (opcionalmente a las tapas laterales). Estas piezas pueden ser por ejemplo herraduras adaptadas al perímetro de las paredes laterales o tener otra configuración que permita realizar dicha unión. Asimismo la unión rígida entre piezas puede realizarse mediante remaches, tornillos, soldadura continua por puntos, etc.
Otra ventaja asociada al empleo de los módulos descritos conformantes de las vigas secundarias (o bien de los módulos de gran tamaño que conforman cada uno de ellos una viga secundaria) y del empleo de las vigas principales es que se eliminan muchos elementos de sujeción intermedios y elementos estructurales adicionales (como por ejemplo celosías) respecto a las configuraciones del estado de la técnica por lo que se reduce mucho la cantidad de material (generalmente acero) a emplear. El seguidor solar puede comprender también unos brazos de torsión que se extienden desde el elemento de unión de las vigas principales centrales y se extienden en dirección perpendicular hasta las vigas principales exteriores. Es decir, los brazos de torsión se extienden entre el elemento de unión de las vigas principales centrales y las vigas principales exteriores. Esta realización está destinada a seguidores solares en los que los módulos estructurales de la parte central de la superficie de captación sufren deformaciones por cargas elevadas. En estos casos los brazos de torsión liberan de carga a dichos módulos estructurales centrales. Tanto en las realizaciones en las que el seguidor solar comprende brazos de torsión como en las que no los comprende, el seguidor solar puede comprender una estructura de soporte superior conformada por al menos: - un mástil que se extiende desde las vigas principales centrales perpendicular a la superficie de captación (conformada por las vigas principales y las vigas secundarias), y
- una pluralidad de elementos de suspensión que se extienden desde el mástil hasta diferentes puntos de las vigas principales.
Los elementos de suspensión se distribuyen de forma que no hacen sombra a los elementos de captación (los módulos fotovoltaicos de alta concentración). Así pues aportan la ventaja de que permiten distribuir las cargas que soportan las vigas principales y secundarias sin afectar negativamente a la producción del seguidor solar.
Preferentemente los elementos de suspensión están unidos al menos a los puntos medios de las vigas principales centrales y a los puntos medios de las vigas principales exteriores.
En esta estructura de soporte superior que comprende una pluralidad de elementos de suspensión que se extienden hasta las vigas principales, los elementos de suspensión trabajan a tracción para contrarrestar las fuerzas debidas a la propia masa del seguidor y al viento que actúa contra la superficie de captación. Esto permite reducir las deformaciones en los módulos y en las vigas principales. Con esta configuración en la que el seguidor solar comprende una estructura de soporte superior el seguidor ya no tiene una estructura de tipo ménsula como los seguidores solares del estado de la técnica sino que tiene una estructura biapoyada (este tipo de estructuras sufre unas deformaciones menores).
La realización preferente de la presente invención es la realización en la que el seguidor dispone de módulos estructurales unidos rígidamente entre sí y que actúan como vigas secundarias unidas rígidamente a las vigas principales, y además dispone de la estructura de soporte superior. La estructura de soporte superior es especialmente ventajosa porque al cambiar la configuración y añadir las vigas principales y los módulos que conforman las vigas secundarias se ha obtenido una estructura mucho más ligera. Para poder deformar la estructura sería necesario que los elementos de soporte se deformasen y cedieran pero los elementos de soporte son capaces de soportar las cargas debidas a su masa o al viento y por tanto aseguran la no deformación y estabilidad del conjunto.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva desde la parte superior del seguidor solar donde se aprecian las vigas principales y las vigas secundarias conformadas por la pluralidad de módulos.
Figura 2 - Muestra una vista en perspectiva desde la parte inferior del seguidor solar mostrado en la figura 1.
Figura 3.- Muestra una vista de una viga secundaria con una pluralidad de módulos unidos rígidamente entre sí.
Figura 4.- Muestra una vista de las vigas principales y la estructura de soporte superior que puede comprender el seguidor solar. Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva del seguidor solar en la realización en la que comprende la estructura de soporte superior. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación se describen con ayuda de las figuras 1 a 5 unos ejemplos de realización de la invención.
Se propone un seguidor solar de módulos fotovoltaicos de alta concentración con un poste (1 ) cimentado en el suelo configurado para transmitir las cargas de la estructura al suelo y con un mecanismo de seguimiento dispuesto en el extremo superior (2) del poste (1 ). El seguidor comprende una pluralidad de lentes de concentración primaria para captar la radiación solar. Un primer ejemplo de realización trata de un seguidor solar de módulos fotovoltaicos de alta concentración.
Por tanto, a cada lado del poste (1 ) se dispone una parte de la superficie de captación. La superficie de captación en cada lado está conformada por una viga principal central y una viga principal exterior, y dispuestos entre ellas están los módulos fotovoltaicos de alta concentración conformando las vigas secundarias (o bien un módulo de grandes dimensiones que es en sí una viga secundaria). Las dos vigas principales centrales (4) comprenden en su parte central elementos de unión (5) destinados a realizar la unión al mecanismo de accionamiento. La unión se realiza en el extremo superior (2) del poste, donde está el mecanismo de seguimiento. Asimismo se disponen dos vigas principales exteriores (6) paralelas cada una a una viga principal central (4). El seguidor solar comprende unos elementos de captación solar que son unos módulos (7) fotovoltaicos de alta concentración que tienen una lente (3) de concentración primaria integrada en una de sus caras. Dicho módulos (7) están unidos entre sí con una unión rígida. Como se aprecia en la figura 3 los módulos (7) tienen una configuración de prismas rectos con paredes laterales (8) configuradas para unirse rígidamente con las paredes laterales (8) de módulos (7) adyacentes conformando vigas secundarias (20). Estas vigas secundarias (20) se encuentran unidas rígidamente a una viga principal central (4) y una viga principal exterior (6) enfrentada a ella, actuando como parte integradora de la estructura del propio seguidor. Preferentemente las paredes laterales (8) son unas chapas de aproximadamente 1 mm de grosor y que están convenientemente rigidizadas mediante nervaduras. Estas paredes laterales (8) actúan como bridas de unión entre módulos (7) y entre los módulos (7) y las vigas principales (4, 6). Estas uniones son capaces de transmitir esfuerzos de flexión y torsión. Preferentemente estas uniones se realizan mediante tornillería aunque también podrían ser por soldadura.
Los módulos (7) fotovoltaicos de alta concentración comprenden al menos una lente (3) de concentración primaria que es la cara superior del módulo (7) y unas paredes inferior y laterales (8) conformadas en chapa de acero. La lente (3) está fabricada en vidrio por transmitir la luz del espectro solar y por ser resistentes a altas temperaturas.
Dichos módulos (7) trabajan de forma mixta ya que la lente (3) de concentración primaria actúa para soportar las cargas a compresión y la lámina de acero de las paredes, que es fina, actúa para soportar las cargas a tracción. Gracias a la configuración del módulo (7) propuesta se obtienen resultados muy ventajosos en cuanto a soporte de tensiones se refiere ya que los dos materiales (lente de vidrio y carcasa de acero) trabajan en las mejores condiciones para ellos. Además al tratarse de un módulo (7) cerrado también se consiguen buenos resultados en trabajo a torsión.
En otro ejemplo de realización la unión entre módulos (7) se realiza mediante unas piezas intermedias que se unen a los módulos (7) mediante remaches y que permiten una unión rígida a las paredes laterales (8) de módulos adyacentes (7). Estas piezas pueden ser por ejemplo herraduras adaptadas al perímetro de las paredes laterales (8). Las condiciones esenciales de los módulos es que se adapten a las condiciones de trabajo del seguidor solar con la mínima deformación posible, resistiendo la carga del viento sin alcanzar las tensiones de plastificación del acero, no permitiendo que se fracture el vidrio de las lentes y siendo estable frente al pandeo de las chapas que conforman sus paredes.
La lente (3) de concentración primaria es un componente estructural del módulo (7) y es capaz de soportar deformaciones y esfuerzos de carga por estar unido a la carcasa mediante un adhesivo estructural que además dota al sistema de cierta flexibilidad. Un ejemplo de adhesivo sería una silicona.
Preferentemente en el interior del módulo (7) se disponen el conjunto de células fotovoltaicas y ópticas secundarias. Adicionalmente, pueden disponerse unos medios de disipación de calor consistentes en un sistema de refrigeración activa o pasiva para evacuar el calor que se produce en la célula (alta temperatura de la célula). Los disipadores de calor pueden ser exteriores al módulo, internamente puede haber alguna pasta térmica pegada entre la célula y la carcasa.
También preferentemente las vigas principales (4, 6) están conformadas con chapa de acero. Pueden tener por ejemplo una configuración en "C" de forma que las vigas secundarias (20) quedan dispuestas entre los brazos de la "C" para asegurar que encaje mejor. Las vigas principales pueden tener otras configuraciones pero el requisito que deben cumplir es que haya al menos una cara plana a la que unir las vigas secundarias (20). Además las vigas principales (4, 6) podrían comprender una pluralidad de primeros rigidizadores (21 ) dispuestos en dirección transversal. Preferentemente los primeros rigidizadores (21 ) están soldados a las vigas principales para mejorar el comportamiento frente al pandeo por torsión y el pandeo lateral del ala comprimida. Las vigas principales transmiten los esfuerzos a la zona de unión con el poste (1 ) del seguidor solar. Las vigas principales centrales (4) tienen un mayor espesor que las exteriores (6) ya que tienen que soportar mayores cargas y además comprenden los elementos de unión (5) al poste (1 ).
Además la estructura del seguidor puede comprender unos elementos de unión entre vigas principales (10) que son unas piezas destinadas a conectar entre sí las dos vigas principales centrales. Estos elementos de unión entre vigas principales (10) están dispuestos en los extremos de las vigas principales centrales y permiten pasar las cargas entre ambas y ayudan a estabilizar la estructura. Asimismo puede comprender unos segundos rigidizadores (19) que se extienden por las paredes inferiores de los módulos (7) entre las vigas principales centrales (4) y las exteriores (6) para evitar que haya deformaciones excesivas cuando se desplaza el seguidor solar hasta la posición vertical, es decir, hasta la posición en la que la superficie de captación queda prácticamente perpendicular al suelo.
En esta realización de la invención la ventaja de que el seguidor solar se pueda poner en posición vertical se obtiene gracias a que comprende los elementos de unión de las vigas principales que aportan continuidad estructural. Otras ventajas asociadas al empleo de la configuración propuesta son que el montaje del conjunto es sencillo.
Adicionalmente la estructura del seguidor solar puede comprender una estructura de soporte superior que comprende al menos un mástil (1 1 ) conformada por una celosía que se extiende desde las vigas principales centrales (4) en el punto donde están los elementos de unión (5) al poste (1 ) perpendicularmente a dichas vigas principales centrales (4), y unos elementos de soporte (12) que parten del mástil (1 1 ) y que están unidos a las vigas principales centrales (4) y a las vigas principales exteriores (6).
En la figura 4 se observa una realización preferente de la invención en la que el mástil (1 1 ) está conformado por una celosía con perfiles tubulares huecos y comprende cuatro perfiles rectos (14) que están dispuestos dos en cada viga principal central (4) a cada lado de los elementos de unión (5) con el poste (1 ). El mástil (1 1 ) recoge los esfuerzos transmitidos por los elementos de soporte (12) y los transmite al poste (1 ) a través de los elementos de unión (5).
En un ejemplo de realización la estructura de soporte superior comprende unos elementos de soporte adicionales (13) que se extienden desde el mástil (1 ) hasta un punto de las vigas principales centrales (4). En un ejemplo de realización mostrado en las figuras los elementos de soporte adicionales (13) se extienden hasta el punto medio de las vigas principales centrales (4). La posición dependerá del diseño concreto del seguidor solar. Estos elementos de soporte transmiten los esfuerzos de las vigas principales centrales (4) al mástil (1 1 ) y de ahí al poste (1 ).
En una realización preferente de la invención como la mostrada en las figuras 4 y 5 los elementos de soporte (12) comprenden una primera porción (15) que va desde el mástil (1 1 ) hasta un punto de inflexión (18) en el que se une a una segunda porción (16) que se extiende hasta la viga principal exterior (6) correspondiente y a una tercera porción (17) que se extiende hasta la viga principal central (4) correspondiente.
Una condición indispensable que deben cumplir los elementos de soporte (12) es que el esfuerzo de compresión de la tercera porción (17) que trabaja a compresión bajo carga de presión más carga gravitatoria (carga perpendicular a los módulos (7) que actúa sobre las lentes (3) de concentración primaria en dirección hacia el suelo) sea igual al esfuerzo de compresión de la primera porción (15) y de la segunda porción (16) que trabajan a compresión bajo carga de succión más gravitatoria (carga perpendicular a los módulos (7) que actúa sobre las caras inferiores de los módulos (7) desde el suelo). Además la longitud del mástil (1 1 ) debe ser tal que los ángulos que forman entre sí las porciones de los elementos de soporte (12) y con el mástil (1 1 ) minimizan la longitud de pandeo de las porciones (15, 16, 17) de los elementos de soporte (12). La longitud del mástil debe cumplir también la condición de ser la mínima posible cumpliendo las condiciones anteriores para tener menos material y abaratar costes.
El seguidor solar para alta concentración aquí descrito permite soportar unas cargas de hasta 30 km/h de viento en posición de abatimiento (posición en la que la superficie de captación está inclinada de forma que la normal de dicha superficie queda paralela a los rayos del sol) y de hasta 140 km/h en posición de segundad (posición en la que la superficie de captación queda paralela al suelo orientada hacia arriba para que en caso de viento fuerte este incida lo menos posible sobre dicha superficie de captación).
Además el seguidor solar de la realización preferente en la que comprende módulos fotovoltaicos de alta concentración que actúan como elementos estructurales y la estructura de soporte superior puede soportar las mismas cargas de viento que un seguidor solar de más del doble de peso que el de la presente invención. Es decir, con la mitad de peso (y por tanto con mucho menos coste) se obtienen los mismos resultados de resistencia que con los seguidores solares del estado de la técnica. En un ejemplo de realización, para un seguidor de una superficie de captación de 90 m2 y una potencia de captación de aproximadamente 25 kWp el peso del seguidor solar se ha conseguido reducir hasta un rango aproximado de entre 890 y 1000 kg.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración con una estructura que comprende:
- un poste (1 ) con cimentación en el suelo configurado para transmitir las cargas de la estructura al suelo,
- un mecanismo de accionamiento,
- una pluralidad de elementos de captación solar,
y está caracterizado por que comprende al menos:
- dos vigas principales centrales (4) que comprenden en su parte central elementos de unión (5) al poste y que se disponen una a cada lado del poste (1 ) unidas al extremo superior (2) de éste,
- dos vigas principales exteriores (6) enfrentadas cada una a una viga principal central (4),
y donde los elementos de captación solar están conformados por unos módulos (7) fotovoltaicos de alta concentración que están unidos rígidamente entre sí y a una viga principal central (4) y una viga principal exterior (6).
2 - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (7) tienen una configuración de prismas rectos con paredes laterales (8) configuradas para unirse rígidamente a las paredes laterales (8) de módulos adyacentes (7) conformando vigas secundarias (20) que están unidas rígidamente a una viga principal central (4) y a una viga principal exterior (6) enfrentada a ella.
3.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizados por que los módulos (7) adyacentes están unidos entre sí mediante remaches.
4.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizados por que los módulos adyacentes se unen rígidamente entre sí mediante unas piezas intermedias que se unen a los módulos (7) con remaches.
5. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos fotovoltaicos de alta concentración comprenden una lente de concentración primaria (3) que es la cara superior del módulo (7) y unas paredes inferior y laterales (8) conformadas en chapa de acero.
6. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 5 caracterizado por que las chapas de acero de los módulos (7) son chapas con nervaduras.
7 - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que las vigas principales (4, 6) están conformadas con chapa de acero.
8. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 7 caracterizado por que las vigas principales (4, 6) tienen una configuración en "C".
9. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 7 caracterizado por que las vigas principales (4, 6) comprenden una pluralidad de primeros rigidizadores (21 ) dispuestos en dirección transversal.
10. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende unos elementos de unión de vigas principales (10) que son unas piezas destinadas a conectar entre sí las dos vigas principales centrales (4).
1 1. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende unos segundos rigidizadores (19) que se extienden por las paredes inferiores de los módulos (7) entre las vigas principales centrales (4) y las exteriores (6).
12. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende unos brazos de torsión que se extienden desde los elementos de unión (5) de las vigas principales centrales (4) hasta las vigas principales exteriores (6).
13. - Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende adicionalmente una estructura de soporte superior que comprende al menos:
- un mástil (1 1 ) conformado por una celosía que se extiende desde las vigas principales centrales (4) en el punto donde están los elementos de unión (5) al poste (1 ) perpendicularmente a dichas vigas principales centrales (4),
- unos elementos de soporte (12) que parten del mástil (1 1 ) y que están unidos a las vigas principales centrales (4) o a las vigas principales exteriores (6).
14.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 13 caracterizado por que la estructura de soporte superior comprende adicionalmente unos elementos de refuerzo (13) que parten desde el mástil (1 1 ) hasta las vigas principales centrales (4).
15.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 13 caracterizado por que los elementos de soporte (12) comprenden una primera porción (15) que va desde el mástil (1 1 ) hasta un punto de inflexión (18) en el que se une a una segunda porción (16) que se extiende hasta la viga principal exterior (6) y una tercera porción (17) que se extiende hasta la viga principal central (4).
16.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 15 caracterizado por que los elementos de soporte (12) cumplen la condición de que el esfuerzo de compresión de la tercera porción (17) bajo carga de presión más carga gravitatoria es igual al esfuerzo de compresión de la primera porción (15) y de la segunda porción (16) que trabajan a compresión bajo carga de succión más gravitatoria.
17.- Seguidor solar fotovoltaico para alta concentración según la reivindicación 15 caracterizado por que la longitud del mástil (1 1 ) es la mínima longitud que permite que los ángulos que forman entre sí las porciones (15, 16, 17) de los elementos de soporte (12) y con el mástil (1 1 ) minimizan la longitud de pandeo de las porciones (15, 16, 17) de los elementos de soporte (12).
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