WO2022207954A1 - Seguidor solar de un eje de gran tamaño - Google Patents

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WO2022207954A1
WO2022207954A1 PCT/ES2022/070194 ES2022070194W WO2022207954A1 WO 2022207954 A1 WO2022207954 A1 WO 2022207954A1 ES 2022070194 W ES2022070194 W ES 2022070194W WO 2022207954 A1 WO2022207954 A1 WO 2022207954A1
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WO
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meters
axis
height
tracker
large single
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PCT/ES2022/070194
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English (en)
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Inventor
Juan Carlos CHACON MUÑOZ
José Luis CHINCHILLA CÓRDOBA
Original Assignee
Sertech Tecnologia, S.L.
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
    • H02S20/32Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment specially adapted for solar tracking
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
    • F24S30/40Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
    • F24S30/42Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis
    • F24S30/428Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis with inclined axis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S25/10Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules extending in directions away from a supporting surface
    • F24S25/12Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules extending in directions away from a supporting surface using posts in combination with upper profiles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
    • F24S30/40Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
    • F24S30/42Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis
    • F24S30/422Vertical axis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47Mountings or tracking

Definitions

  • the present invention belongs to the field of large solar energy installations comprising large single-axis solar trackers, including multi-row trackers.
  • the object of the present invention is a large single-axis solar tracker designed to obtain better performance compared to existing horizontal single-axis trackers.
  • a solar tracker is basically made up of a structure that supports a series of solar panels according to their inclination and orientation to generate the maximum possible energy. The amount of energy generated is greater the smaller the angle between the normal to the solar panel and the direction of the solar radiation received.
  • the basic parameters that define the position of a solar panel are the tilt angle and the azimuth angle. Also important is the angle of incidence, which is related to the relative orientation of the solar panel in relation to the sun's rays. Each of them is defined in more detail below.
  • the angle of solar incidence is the angle between the normal of the surface of the solar panel and the sun's rays that affect it.
  • the position of the sun varies throughout the day and also throughout the year.
  • Fig. 1 shows a surface located in the northern hemisphere, where the sun follows an East-South-West path.
  • the surface is located in the southern hemisphere, it should face north to receive the maximum amount of solar energy.
  • Fixed solar panels comprise structures that support the solar panels in a fixed position, thus lacking means of tracking the position of the sun.
  • the angles of inclination and azimuth remain fixed at optimum values determined by the latitude of the place of installation. More specifically, the optimum tilt angle will normally coincide with the latitude of the site, while the optimum azimuth angle will normally be 0 o .
  • Mobile trackers comprise a mobile structure where at least one of the angles described varies throughout the day to follow the position of the sun as accurately as possible. The objective is to minimize the angle of incidence of solar radiation on the panels, since the smaller it is, the greater the amount of energy generated.
  • the purpose of the east-west rotation is to seek the maximum perpendicularity of the surface of the solar panels with the sun's rays.
  • horizontal axis trackers are understood to include multi-row trackers.
  • Tilt-axis trackers have a constant tilt, usually coincident with latitude, and whose azimuth angle varies throughout the day. That is, the solar panels have a fixed tilt but rotate around a vertical axis, so that in the morning they face east, at noon they face south, and in the afternoon they face west. Shaft elevation improves the amount of power produced based on latitude.
  • An azimuth tracker also known as a pole axis tracker, comprises a rotary axis facing south and having a fixed tilt normally coincident with latitude.
  • a solar panel fixed to this axis rotates around said axis, facing east in the morning and west in the afternoon.
  • Two-axis trackers (Fig. 2d)
  • the type of solar tracker used is chosen always with the objective of maximizing the economic return obtained by the installation.
  • the type of tracker with the highest performance is the two-axis tracker, when choosing a type of tracker for an installation, the costs associated with the installation must also be taken into account. and to maintenance. Note that while the following discussion is economic in nature, there are known technical reasons and considerations underlying it.
  • the installation costs of a large-scale solar photovoltaic plant based on each type of solar tracker are as follows (installation price per Peak Watt is shown).
  • GHI Global Horizontal Irradiation
  • the parameter to maximize when planning a solar plant is normally the levelized cost of energy (LCOE), which is a measure of the average net present cost of power generation for a plant throughout its entire useful life. .
  • LCOE levelized cost of energy
  • the current trend is the use of horizontal axis solar trackers.
  • Performance Ratio (PR, Performance Ratio): This value is practically the same for all options since it depends on electrical losses, efficiency of solar panels and inverters, losses in transformers, etc.
  • MWp Power or installed capacity. As an example, consider a project with 50 megawatts installed.
  • Irradiation on inclined plane [kWh/m 2 ]: Irradiation on the plane where the panels are located due to solar tracking. It is the irradiation after applying the gain of the tracker to horizontal irradiation.
  • the type of tracker that adds the most value to a solar energy project is the single horizontal axis tracker.
  • a large single-axis horizontal solar tracker refers to the length of the axis that causes the solar panels of the tracker to rotate following the position of the sun.
  • a large horizontal single-axis solar tracker is a solar tracker having an axis length of at least 25 meters.
  • the axis length of a large solar tracker can be greater than: 25 meters, 30 meters, 35 meters, 40 meters, 45 meters, 50 meters, 55 meters, 60 meters, 65 meters, 70 meters, 75 meters. meters, 80 meters, 85 meters, 90 meters, 95 meters, 100 meters, 110 meters, 120 meters, 130 meters, 140 meters, 150 meters, 160 meters, 170 meters, 180 meters, 190 meters or 200 meters.
  • the tracker (100) comprises a normally straight shaft (102) oriented in a north-south direction on which a plurality of frames (103) are fixed.
  • the frames (103) are fixed to the shaft (102) so that they rotate integrally with it.
  • the solar panels (104) are fixed to these frames (103) and therefore also rotate together with the axis (102), thus following the position of the sun throughout the day.
  • the shaft (102) rests on the ground on several posts (105) protruding from the ground by essentially the same length, that is, having the same height. Therefore, the axis (102) is always essentially parallel to the ground on which the follower (100) sits.
  • a solar installation can comprise tens, hundreds or thousands of trackers (100) of this type.
  • the present invention proposes to improve the performance in this type of installation without the need to make substantial modifications to the structure. Indeed, since this technology is currently highly developed and, as described above, the transportation, installation and maintenance costs are well known, it is especially advantageous to keep the structure practically unchanged.
  • the "height" of the posts refers to the length of the post that protrudes from the ground after the post has been installed by essentially driving it into the ground.
  • the concept underlying the invention is therefore to raise one end of the shaft a relatively small height relative to the opposite end, in particular a height small enough not to require any substantial change in structure or assembly process.
  • the only modification required in relation to the followers Known one-axis horizontals is therefore the use of posts whose heights increase progressively from the lowest end of the axis towards the highest end of the axis.
  • the normally straight axis of the large single axis solar tracker is provided according to the invention with a small tilt to the north or south relative to ground level, in particular a tilt to the north or south which is substantially less than the optimum slope at most latitudes.
  • this modification only implies an increase in residual cost compared to the cost of a conventional single-axis horizontal solar tracker.
  • this small sub-optimal inclination causes a significant increase in the energy captured by the solar panels, thus clearly increasing the performance of the tracker and therefore the energy generated.
  • the invention is directed to a large single-axis solar tracker comprising a structure formed by a shaft with a length of 25 meters.
  • the axis length of the large-size solar tracker is preferably greater than 25 meters, 30 meters, 35 meters, 40 meters, 45 meters, 50 meters, 55 meters, 60 meters, 65 meters, 70 meters, 75 meters, 80 meters, 85 meters, 90 meters, 95 meters, 100 meters, 110 meters, 120 meters, 130 meters, 140 meters, 150 meters, 160 meters, 170 meters, 180 meters, 190 meters or 200 meters .
  • the axis is normally straight, as in conventional single-axis horizontal solar trackers. Naturally, the normally straight axis of the solar tracker of the invention is oriented in the north-south direction.
  • the axis is supported by a row formed by a plurality of posts anchored to the ground.
  • the posts may have any structure known in the art, and in particular may be made of any suitable material, have any suitable cross-section, and have any suitable spacing between consecutive posts.
  • the number of posts is not particularly limited, although for such large followers the number of posts is preferably greater than 5, more preferably greater than 10, more preferably greater than 20, more preferably greater than 30, more preferably greater than 40, and more. preferably greater than 50.
  • a plurality of frames supporting solar panels are connected to the shaft.
  • the frames can have any shape or structure as long as they rotate together with the axis and provide adequate support for the solar panels of the tracker. In this way, when the axis rotates, the solar panels connected to it through the racks also rotate to follow the position of the sun.
  • racks can be used known conventional used in trackers of a horizontal axis according to the prior art.
  • the large single-axis solar tracker of the present invention differs from known large single-axis horizontal trackers in that the height of the poles gradually grows from a first end pole supporting a first end of the track. axis toward a second end post supporting a second end of the axis, such that the axis has an essentially uniform northerly or southerly tilt relative to the ground and where an absolute axis tilt is substantially less than latitude.
  • absolute axis slope refers to geometric slope, that is, the slope relative to the horizontal direction (the slope is normally the sum of the axis slope relative to the ground plus the slope of the ground in a vertical plane containing the axis).
  • An absolute dip substantially less than latitude may be a dip that is less than, for example, 75% latitude, 50% latitude, 25% latitude, 15% latitude, 10 % latitude, or similar.
  • the height difference between the first end post and the second end post is configured to be small enough that it does not cause substantial changes in the structure or the assembly process.
  • said height difference between the first end post and the second end post that does not cause substantial changes in the structure or the assembly process is preferably less than 3 meters, more preferably between 0.5 meters and 3 meters, more preferably between 1 meter and 3 meters, more preferably between 1.5 meters and 3 meters, more preferably between 2 meters and 3 meters, and most preferably between 2.5 meters and 3 meters. Any one of these height differences is small enough not to require a significant change in structure or mounting process.
  • the posts can have any height as long as the difference in height between them is small in the sense described above.
  • the poles can be relatively tall to form an "agro-voltaic" installation.
  • Agro-voltaic installations are single-axis tracker structures where the height of the axis is high enough to allow the use of the underlying land for agriculture.
  • the height of the second post is preferably less than 10 meters, more preferably less than 9 meters. meters, more preferably less than 8 meters, more preferably less than 7 meters, more preferably less than 6 meters, more preferably less than 5 meters, more preferably less than 4 meters, and most preferably less than 3 meters.
  • Another preferred embodiment of the present invention is directed to a solar installation comprising a plurality of large single-axis solar trackers such as those described above and which are also arranged consecutively one from the other.
  • the second shaft end of each large single axis solar tracker is connected to a first shaft end of a subsequent large single axis solar tracker by means of a vertical rotation transmission device. horizontal.
  • the pole trackers are designed to maintain the optimum inclination corresponding to the place of installation. Therefore, polar trackers cannot have very long axes since, taking into account the optimum inclination at most latitudes, the difference in height between the two end axes would be too great. For example, for a solar plant in southern Spain, the optimal tilt would be approximately 37°.
  • pole trackers conventionally used in this field only provide support for a small number of solar panels, for example 4 solar panels, so that they have very small axes. short no more than a few meters. For that reason, pole trackers are normally only used for small plants, i.e. plants for a single house or building.
  • pole trackers are not normally used for large plants, and even then such a large plant would comprise a plurality of pole trackers each having a short axis with a small number of solar panels, and not a single axis with a length greater than 25 meters.
  • the present invention provides a tracker whose structure corresponds to that of a single-axis horizontal solar tracker but with a slight north or south tilt added relative to the ground, thus increasing the amount of energy captured, particularly at the time of year when the path of the sun is lowest (i.e. in winter).
  • the angle of inclination of the shaft is limited by the maximum difference in height between the highest pole and the lowest pole, so that no substantial change in structure, assembly and maintenance processes is necessary.
  • the achievable axis tilt is clearly sub-optimal for most latitudes, in particular for any location within Europe.
  • the invention is also applicable when the tracker is installed on land that is already sloping to the north or south, either with a constant slope or an irregular slope.
  • the concept is to provide the axis with a sufficiently small angle of inclination with respect to the ground that is added to the inclination of the ground itself.
  • the inventors of the present invention have verified that the use of poles with too great a height difference between the first end pole and the second end pole, in particular a height difference greater than 3 meters, would have a negative impact on the manufacturing and assembly process of a tracker of this type. That is, for each specific height of the second post, small differences in height between the first end post and the second end post would not require a significant increase in the costs associated with lifting tools and cranes used by operators compared to erection. of a horizontal one-axis follower with an equivalent height. The costs related to manufacturing, in particular relating to the section and/or thickness of the posts and other parts of the structure, also remain essentially unchanged.
  • the financial model to verify the profitability of the investment is developed by the promoter or investor, considering a series of inputs such as the cost of implementation, the income derived from production, operation and maintenance expenses, etc. In general, it is the investor who takes responsibility for evaluating the project from a financial point of view to determine its economic viability and the rate of return on the investment.
  • the promoters launch bidding processes to construction companies that quote the cost of implementation from a technical point of view, based on initial conditions such as the location of the project, manufacturers, etc.
  • the promoter seeks a very low implementation cost in the tender to ensure that the results of the financial model are optimal (the lower the investment, the better the profitability of the project).
  • the promoter does not have sufficient technical capacity to perceive that a marginal increase in the cost of the tracker can cause an improvement in energy production and obtain generation optimization;
  • the construction company does not have sufficient financial knowledge to determine that an increase in the cost of construction improves energy generation and obtains a better result in the financial model.
  • the construction company always seeks to obtain a low implementation cost to win the tender. Due to the great demand for this type of project, the usual and trend is to reduce implementation costs to the maximum, so solutions that make construction more expensive are not proposed.
  • the present invention provides an improvement both in energy production and in the profitability of the project based on slightly increasing the cost of implementation, something that does not seem logical a priori in this field.
  • a small increase in the implementation cost manages to improve the energy production and the profitability of any project based on single-axis horizontal trackers.
  • the concept underlying the present invention is applicable to both new installations and existing installations.
  • reference to a sufficiently small difference in height between the first and second end posts of the tracker of the invention could be defined in terms of the angle of inclination of the axis.
  • the tilt angle of the axis could be between 0.5° and 10°, more preferably between 0.5° and 9°, more preferably between 0.5° and 8°, more preferably between 0.5° and 7° , more preferably between 0.5° and 6°, more preferably between 0.5° and 5°, more preferably between 0.5° and 4°, more preferably between 0.5° and 3°, more preferably between 0.5° and 2°, and more preferably between 0.5° and 1o .
  • the angle of inclination of the axis may be between 1° and 10°, more preferably between 1° and 9° , more preferably between 1° and 8° , more preferably between 1° and 7° , more preferably between 1° and 6° , more preferably between 1° and 5° , more preferably between 1° and 4° , more preferably between 1° and 3°, and most preferably between 1° and 2°
  • the angle of inclination of the axis may be between 2° and 10°, more preferably between 2° and 9° , more preferably between 2° and 8° , more preferably between 2° and 7° , more preferably between 2° and 6o , more preferably between 2o and 5o , more preferably between 2o and 4o , and most preferably between 2o and 3o .
  • the angle of inclination of the axis may be between 3° and 10°, more preferably between 3° and 9° , more preferably between 3° and 8° , more preferably between 3° and 7° , more preferably between 3° and 6 ° , more preferably between 3 ° and 5 ° , and most preferably between 3 ° and 4 ° .
  • Fig. 1 schematically shows the orientation of a solar panel and the angles that characterize it.
  • Figs. 2a-2d respectively show a single horizontal axis, vertical axis, polar axis and two axis solar tracker.
  • Figs. 3a-3c respectively show a profile, perspective and elevation view of a single horizontal axis solar tracker.
  • Fig. 4 shows an elevation view of a first example of a solar tracker according to the present invention installed on horizontal ground.
  • Fig. 5 shows an elevation view of a second example of a solar tracker according to the present invention installed on sloping ground.
  • Fig. 6 shows an elevation view of a third example of a solar tracker according to the present invention.
  • Fig. 4 shows a first example of a solar tracker (1) according to the invention.
  • a main axis 2 oriented in the north-south direction is provided with a plurality of frames (not shown), and a plurality of solar panels 4 are fixed to said frames.
  • the total length of the axis (2) is L.
  • the axis (2) rotates, the racks and the solar panels (4) rotate with it, thus following the position of the sun.
  • the axis (2) is supported on a plurality of posts (5) whose length is progressively increasing from a first end of the axis (2), that is, the post at the south end, towards the second end of the axis (2), that is say, the north end pole.
  • the height difference between the first end post (5) and the second end post (5) is DH.
  • the structure of the tracker (1) is exactly the same as the structure of a conventional single-axis horizontal tracker, with the only exception of the height of the posts (5).
  • the height of the posts (5) refers to the length of the portion of the post (5) that emerges from the ground, the length of the portion of the post (5) that is buried in the ground being irrelevant in this context. the land.
  • the height of the first end post (5) is 7 meters and the height of the second end post (5) is 10 meters, thus leaving enough space under the solar panels for the use of agricultural machinery.
  • the angle of inclination of the single-axis solar tracker (1) of the invention is much lower than the optimum inclination in the most common locations, and very particularly much lower than the optimal inclination in any installation location located in Europe.
  • the latitude of Cádiz the southernmost city in Europe, is approximately 36.5°
  • the latitude of Marrakech, in Morocco is approximately 31.7°
  • even in southern Russia the latitude is still around 20 °.
  • the tilt angle for such small height differences is sub-optimal for most common installation locations.
  • each post (5) is progressively longer, beginning with the conventional height of 3.5 meters at the first end of the axis (2) until reaching a height of 4,608 meters at the second. shaft end (2).
  • the solar tracker (1) according to the first example of the invention contributes to the project an increase in NPV of 34.27%. compared to the next best technology, the single-axis horizontal tracker.
  • the value of the project increases by 221,000 euros.
  • the analysis shown here is economic in nature, it is based on underlying technical reasons. In particular, providing a sufficiently low pitch to a conventional single axis horizontal type tracker does not have a large impact on the complexity of installation and maintenance, so the increase in power more than compensates for the change.
  • Fig. 5 shows a tracker (1) according to the first example installed on a sloping ground. As can be seen, also in this case an increase in the angle of inclination of the axis is achieved, which is added to the inclination of the terrain itself.
  • Fig. 6 shows a solar installation (10) comprising two single-axis solar trackers (1a, 1b) of the type described in the first example of embodiment, where each one has an axis (2a, 2b) with an inclination of 5 or , the two axes (2a, 2b) being connected to each other consecutively.
  • Each axle (2a, 2b) is supported by a corresponding group of posts (5) having progressively increasing heights. Therefore, the posts (5) that support the axis (2a) of the tracker (1a) located on the left side of the figure have a progressively increasing height in the south-north direction starting from a post (5) at the south end of 3500 mm at the southern end of said axis (2a).
  • the posts (5) that support the axis (2b) of the tracker (1b) located on the right side of the figure have a progressively increasing height in the south-north direction also starting from a post (5) at the south end of 3500 mm at the southern end of said axis (2b). Therefore, at the point in the intermediate section of the installation (10) where the axis (2a) on the left side meets the axis (2b) on the right side, there is a difference in height between the post (5) at the end north end of follower (1a) on the left side and the post (5) at the south end of follower (1b) on the right side.
  • a vertical-horizontal rotation transmission device (6) is connected between the north end of the left side shaft (2a) and the south end of the right side shaft (2b) to transmit the rotation movement.
  • This type of vertical-horizontal rotation transmission devices 86) are known in the art. Given a certain total length of the installation, this configuration allows a greater inclination of each one of the shaft portions, and therefore a greater increase in the energy obtained.
  • a complete economic analysis of this proposal is carried out, and a comparison is made with the installation of the first embodiment. A comparison with the conventional technologies described in this document is also carried out. An installation like the one shown in Fig. 6 with an inclination angle of 5 o is considered.
  • the second example of embodiment basically consists of dividing the single axis of the follower of the first example of embodiment into several consecutive axis portions.
  • This configuration is advantageous because it allows an even greater inclination to be achieved for an installation with the same overall length.
  • a 100 meter long installation made up of a single tracker according to the invention with a height increase of 3 meters would have an inclination of 1.72°.
  • This installation could be replaced by an installation comprising four consecutive 25 meter long trackers connected to each other, each having a height increase of 3 meters.
  • the tilt angle of each of the four axes corresponding to the four trackers would be 6.84°. A greater inclination allows to obtain a greater amount of energy.
  • the NPV increases by 53.74% compared to the best conventional technology, the single-axis horizontal tracker. In other words, after fifteen years of operation of the project, the value of the project increases by more than 346,000 euros.
  • the second embodiment is also applicable when the ground is sloping.

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Abstract

La invención describe un seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño que comprende una estructura formada por un eje (2) con una longitud de al menos 25 metros y una pluralidad de bastidores que soportan paneles solares (4) conectados a dicho eje (2). El eje (2) está orientado en la dirección norte-sur, y está soportado por postes (5). Además, la altura de los postes (5) aumenta gradualmente desde un primer extremo a un segundo extremo del eje (2), de modo que éste tiene una inclinación uniforme hacia el norte o el sur con relación al terreno. Una inclinación absoluta del eje es sustancialmente menor que la latitud. Una diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo está configurada para ser suficientemente pequeña para no provocar cambios sustanciales en la estructura o el proceso de montaje.

Description

SEGUIDOR SOLAR DE UN EJE DE GRAN TAMAÑO
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de las grandes instalaciones de energía solar que comprenden seguidores solares de un eje de gran tamaño, incluyendo seguidores multi-fila.
El objeto de la presente invención es un seguidor solar de un eje de gran tamaño diseñado para obtener un mejor rendimiento en comparación con los seguidores de un eje horizontal existentes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Tipos de seguidores solares
Un seguidor solar está formado fundamentalmente por una estructura que soporta una serie de paneles solares de acuerdo con la inclinación y orientación para generar la máxima energía posible. La cantidad de energía generada es mayor cuanto menor es el ángulo entre la normal al panel solar y la dirección de la radiación solar recibida.
Los parámetros básicos que definen la posición de un panel solar son el ángulo de inclinación y el ángulo de acimut. También es importante el ángulo de incidencia, que está relacionado con la orientación relativa del panel solar con relación a los rayos solares. A continuación, se define cada uno de ellos con mayor detalle.
Ángulo de acimut (a): Ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del panel solar y el meridiano del lugar. En el hemisferio norte, valores típicos son 0o para paneles orientados al sur, -90° para paneles orientados al este y +90° para paneles orientados al oeste.
Ángulo de inclinación (b): Ángulo que forma la superficie del panel solar con el plano horizontal. Su valor es 0°para paneles en posición horizontal y 90° para verticales.
Ángulo de incidencia: El ángulo de incidencia solar es el ángulo entre la normal de la superficie del panel solar y los rayos del sol que inciden sobre la misma. La posición del sol varía a lo largo del día y también a lo largo del año. La Fig. 1 muestra una superficie situada en el hemisferio norte, donde el sol sigue una trayectoria Este-Sur- Oeste. Para un panel solar fijo, si se pretende maximizar la captación de energía solar, la superficie debe estar orientada de la manera más precisa posible hacia la trayectoria del sol. Por lo tanto, el ángulo de acimut óptimo para que una superficie fija reciba la mayor cantidad posible de energía solar debe ser 0o (a = 0o). Naturalmente, si la superficie está situada en el hemisferio sur, debería orientarse hacia el norte para recibir la máxima cantidad de energía solar. Por otra parte, la inclinación óptima para que la superficie reciba la mayor radiación será la latitud del sitio geográfico donde se encuentre ^=latitud), ya que esta inclinación asegura que los rayos del sol inciden lo más cerca de la perpendicular posible la mayor parte del tiempo, es decir, que el ángulo de incidencia (Q) es lo más bajo posible.
Actualmente existen varios tipos de seguidores solares que se clasifican en función de su capacidad para modificar el ángulo de inclinación y el ángulo de acimut de los paneles con el propósito de orientarlos hacia la posición del sol a lo largo del día, es decir, para minimizar el ángulo de incidencia la mayor parte del tiempo. Los seguidores solares más empleados son los siguientes: a) Estructuras fijas
Los paneles solares fijos comprenden estructuras que soportan los paneles solares en una posición fija, careciendo por tanto de medios de seguimiento de la posición del sol. En este tipo de estructuras los ángulos de inclinación y acimut se mantienen fijos en unos valores óptimos determinados por la latitud del lugar de instalación. Más concretamente, el ángulo de inclinación óptimo normalmente coincidirá con la latitud del lugar, mientras que el ángulo de acimut óptimo será normalmente de 0o. b) Seguidores móviles
Los seguidores móviles comprenden una estructura móvil donde al menos uno de los ángulos descritos varía a lo largo del día para seguir de la manera más precisa posible la posición del sol. El objetivo es minimizar el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre los paneles, ya que cuando menor sea éste mayor es la cantidad de energía generada. Existen fundamentalmente dos tipos de seguidores móviles: seguidores de un eje y seguidores de dos ejes. b1) Seguidores de un eje Seguidores de un eje horizontal (Fig. 2a)
Los seguidores de un eje horizontal presentan un ángulo de acimut fijo (por ejemplo, a = 0o en el hemisferio norte). Por tanto, están dotados de un eje horizontal orientado en la dirección norte-sur que permite que los paneles solares giren en el sentido este-oeste para seguir la trayectoria del sol, de forma que el ángulo de inclinación sea el mínimo posible y optimizar la generación de energía solar. La finalidad del giro este-oeste es buscar la máxima perpendicularidad de la superficie de los paneles solares con los rayos del sol. En esta solicitud, se entiende que los seguidores de un eje horizontal incluyen seguidores multi-fila.
Seguidores de un eje inclinado (Fig. 2b)
Los seguidores de un eje inclinado tienen una inclinación constante, normalmente coincidente con la latitud, y cuyo ángulo de acimut varía a lo largo del día. Es decir, los paneles solares tienen una inclinación fija pero giran alrededor de un eje vertical, de manera que por la mañana están orientados hacia el este, a mediodía están orientados hacia el sur, y por la tarde están orientados al oeste. La elevación del eje mejora la cantidad de energía producida en función de la latitud.
Seguidores azimutales (Fig. 2c)
Un seguidor azimutal, también conocido como seguidor de eje polar, comprende un eje rotativo orientado hacia el sur y que tiene una inclinación fija normalmente coincidente con la latitud. Un panel solar fijado a este eje rota alrededor de dicho eje, estando orientado al este por las mañanas y al oeste por las tardes. b2) Seguidores de dos ejes (Fig. 2d)
Los seguidores de dos ejes comprenden una estructura donde tanto el ángulo de inclinación como el ángulo de acimut pueden modificarse de manera independiente. Ello permite mantener los paneles solares orientados perpendicularmente a la radiación solar en todo momento, es decir, mantener un ángulo de incidencia de esencialmente 0o (Q = 0o), maximizando así la cantidad de energía generada. A cambio de su elevado rendimiento, los costes de instalación y mantenimiento son mucho mayores que los de los seguidores de un eje.
Fundamentos económicos del diseño de una instalación solar
En el diseño de una instalación solar, el tipo de seguidor solar empleado se elige teniendo siempre por objetivo maximizar el retorno económico obtenido por la instalación. Si bien desde el punto de vista meramente energético resulta evidente que el tipo de seguidor de mayor rendimiento es el seguidor de dos ejes, a la hora de elegir un tipo de seguidor para una instalación hay que tener en cuenta también los costes asociados a la instalación y al mantenimiento. Nótese que, aunque el siguiente análisis es de naturaleza económica, subyacen consideraciones y razones técnicas conocidas.
De acuerdo con información disponible actualmente, los costes de instalación de una planta solar fotovoltaica a gran escala basada en cada tipo de seguidor solar son los siguientes (se muestra el precio de la instalación por Vatio pico).
Figure imgf000006_0001
Nótese la gran diferencia de coste entre las estructuras fijas y los seguidores de eje horizontal respecto al resto de estructuras. Estas diferencias se deben a la alta demanda y facilidad de fabricación y montaje.
Ahora bien, a pesar de su coste superior, la producción eléctrica de los seguidores polar y de dos ejes es superior a la que se obtiene empleando estructuras fijas o de un eje horizontal. A continuación, se muestra el porcentaje de energía eléctrica obtenida por cada uno de los tipos de seguidores mencionados tomando como referencia la denominada irradiación global horizontal (GHI, Global Horizontal Irradiation), que es la radiación incidente total durante un periodo de tiempo sobre una superficie determinada, en términos de energía.
Figure imgf000007_0002
El parámetro a maximizar al planificar una planta solar es normalmente el coste nivelado de energía (LCOE, Levelized Cost Of Energy), que es una medida del coste presente neto promedio de la generación de energía para una planta a lo largo de toda su vida útil. En instalaciones de gran potencia que tienen una vida útil de entre 20 y 40 años, teniendo en cuenta la reducción de costes debido a la fabricación a gran escala, la tendencia actual es el uso de seguidores solares de un eje horizontal.
Esto se comprueba realizando un análisis comparativo de costes de los diferentes tipos de seguidores calculando el Valor Actual Neto (VAN) de instalaciones basadas en uno de los tipos de seguidores citados teniendo en cuenta el coste de inversión, los ingresos por producción de energía y los costes de mantenimiento y operación durante la vida útil de la planta.
Los parámetros considerados para este análisis son:
Tasa de descuento: 8%
Vida útil del proyecto: 15 años Potencia: 50MWp
Relación de rendimiento (PR, Performance Ratio): Este valor es prácticamente el mismo para todas las opciones ya que depende de las pérdidas eléctricas, eficiencia de paneles solares e inversores, pérdidas en transformadores, etc.
En la siguiente tabla se resumen los valores considerados para la simulación en el software PVSyst, utilizado a nivel mundial por todas las compañías de desarrollo de energía solar para la estimación de la producción de energía:
Figure imgf000007_0001
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donde:
- Fabricación [€/Wp]: coste de la fabricación o adquisición del seguidor solar.
- Transporte [€/Wp]: coste del transporte de la estructura del seguidor desde fábrica hasta la ubicación del proyecto.
- Montaje [€/Wp]: coste del montaje del seguidor solar. Precios obtenidos en base a ofertas recibidas por empresas constructoras.
- Total [€/Wp]: precio total del seguidor solar, por Vatio instalado.
- Resto de inversión en la construcción (cableado, paneles solares) [€/Wp]: Es el coste que se debe sumar a la inversión del seguidor solar para construir una planta de generación solar (paneles solares, obra civil, inversores, sistemas de monitorización, interconexión a la red eléctrica, etc).
- Potencia [MWp]: Potencia o capacidad instalada. Como ejemplo, se considera un proyecto de 50 Megavatios instalados.
- Performance Ratio o Rendimiento (PR) [%], relación entre la energía real producida y la teórica, es una medida del rendimiento de la planta de generación.
- Irradicación horizontal (GHI) [kWh/m2]: Mide el recurso solar en el sitio. Para este análisis se ha considerado el recurso solar existente en Sevilla. Dato obtenido de la base de datos SolarGis.
- Ganancia del seguidor [%]: Incremento en la producción de energía que se obtiene a través del seguimiento del solar, tal y como se ha comentado en capítulos anteriores. Datos facilitados por los fabricantes.
- Irradiación en plano inclinado [kWh/m2]: Irradiación en el plano donde están situados los paneles debido al seguimiento solar. Es la Irradiación después de aplicar la ganancia del seguidor a la irradiación horizontal.
- Producción de energía [MWh]: Producción de energía neta que se inyecta a la red eléctrica considerando la ganancia del seguidor y aplicando el rendimiento de la planta. - Degradación [%]. Disminución anual en la producción debido a la degradación de los paneles solares y resto de equipos.
- Costo de mantenimiento anual [€/MWp/año]: Coste de la operación de la planta una vez que esté inyectando energía.
- Precio de venta de energía [€/MWh]: Precio a fecha de la redacción de este informe por el cual el mercado eléctrico compra la energía a productores de electricidad.
El análisis del VAN se muestra a continuación:
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Como se puede observar, el tipo de seguidor que aporta más valor a un proyecto de energía solar es el seguidor de un solo eje horizontal.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Como se ha descrito anteriormente, la mayoría de las grandes instalaciones de energía solar están basadas actualmente en seguidores de un eje horizontal. Las instalaciones de energía solar de este tipo están formadas por una pluralidad de seguidores horizontales de un eje de gran tamaño, cada uno de los cuales tiene una longitud. En este contexto, la longitud de un seguidor solar horizontal de un eje de gran tamaño se refiere a la longitud del eje que hace que los paneles solares del seguidor roten siguiendo la posición del sol. En el presente documento, un seguidor solar horizontal de un eje de gran tamaño es un seguidor solar que tiene un eje de una longitud de al menos 25 metros. En particular, la longitud del eje de un seguidor solar de gran tamaño puede ser mayor de: 25 metros, 30 metros, 35 metros, 40 metros, 45 metros, 50 metros, 55 metros, 60 metros, 65 metros, 70 metros, 75 metros, 80 metros, 85 metros, 90 metros, 95 metros, 100 metros, 110 metros, 120 metros, 130 metros, 140 metros, 150 metros, 160 metros, 170 metros, 180 metros, 190 metros o 200 metros.
Los seguidores solares de un eje horizontal de gran tamaño presentan una estructura similar a la mostrada en las Figs. 3a.3c. El seguidor (100) comprende un eje (102) normalmente recto orientado en dirección norte-sur sobre al cual están fijados una pluralidad de bastidores (103). Los bastidores (103) están fijados al eje (102) de manera que giran solidariamente con el mismo. Los paneles solares (104) están fijados a estos bastidores (103) y, por tanto, también rotan conjuntamente con el eje (102), siguiendo así la posición del sol a lo largo del día. El eje (102) se apoya en el terreno sobre varios postes (105) que sobresalen de terreno esencialmente la misma longitud, es decir, que tienen la misma altura. Por lo tanto, el eje (102) siempre es esencialmente paralelo al terreno sobre el que se asienta el seguidor (100). Una instalación solar puede comprender decenas, cientos o miles de seguidores (100) de este tipo.
La presente invención propone mejorar el rendimiento en este tipo de instalaciones sin necesidad de realizar modificaciones sustanciales en la estructura. En efecto, puesto que esta tecnología está actualmente muy desarrollada y, como se ha descrito anteriormente, los costes de transporte, instalación y mantenimiento son bien conocidos, es especialmente ventajoso mantener la estructura prácticamente inalterada.
Nótese que, en el contexto de la presente invención, la “altura” de los postes se refiere a la longitud de poste que sobresale del terreno después de que el poste haya sido instalado esencialmente hincándolo en el terreno.
El concepto subyacente a la invención es, por tanto, elevar un extremo del eje una altura relativamente pequeña con relación al extremo opuesto, en particular una altura suficientemente pequeña como para no requerir ningún cambio sustancial en la estructura o el proceso de montaje. La única modificación requerida con relación a los seguidores horizontales de un eje conocidos es por tanto el uso de postes cuyas alturas crecen progresivamente desde el extremo más bajo del eje hacia el extremo más alto del eje. Así, se dota al eje normalmente recto del seguidor solar de un eje único de gran tamaño de acuerdo con la invención de una pequeña inclinación hacia el norte o el sur con relación al nivel del terreno, en particular una inclinación hacia el norte o el sur que es sustancialmente menor que la inclinación óptima en la mayoría de latitudes. Como la estructura y el proceso de montaje del seguidor no se altera, esta modificación únicamente implica un incremento de coste residual en comparación con el coste de un seguidor solar horizontal de un eje convencional. Sin embargo, dicha pequeña inclinación sub-óptima provoca un aumento relevante en la energía captada por los paneles solares, incrementando así claramente el rendimiento del seguidor y por tanto la energía generada.
Por tanto, la invención está dirigida a un seguidor solar de un eje de gran tamaño que comprende una estructura formada por un eje de una longitud de 25 metros. En particular, como se ha mencionado anteriormente, la longitud del eje del seguidor solar de gran tamaño es preferiblemente mayor de 25 metros, 30 metros, 35 metros, 40 metros, 45 metros, 50 metros, 55 metros, 60 metros, 65 metros, 70 metros, 75 metros, 80 metros, 85 metros, 90 metros, 95 metros, 100 metros, 110 metros, 120 metros, 130 metros, 140 metros, 150 metros, 160 metros, 170 metros, 180 metros, 190 metros o 200 metros. El eje es normalmente recto, como en los seguidores solares horizontales de un eje convencionales. Naturalmente, el eje normalmente recto del seguidor solar de la invención está orientado en la dirección norte-sur.
El eje está soportado por una fila formada por una pluralidad de postes anclados al terreno. Los postes pueden tener cualquier estructura conocida en la técnica, y en particular pueden estar hechos de cualquier material adecuado, tener cualquier sección transversal adecuada, y tener cualquier separación adecuada entre postes consecutivos. El número de postes no está particularmente limitado, aunque para seguidores tan grandes el número de postes es preferiblemente mayor de 5, más preferiblemente mayor de 10, más preferiblemente mayor de 20, más preferiblemente mayor de 30, más preferiblemente mayor de 40, y más preferiblemente mayor de 50.
Una pluralidad de bastidores que soportan paneles solares están conectados al eje. Los bastidores pueden tener cualquier forma o estructura siempre que roten conjuntamente con el eje y que proporcionen un soporte adecuado para los paneles solares del seguidor. De ese modo, cuando el eje rota, los paneles solares conectados al mismo a través de los bastidores también rotan para seguir la posición del sol. Se pueden utilizar bastidores conocidos convencionales utilizados en seguidores de un eje horizontal según la técnica anterior.
Ahora bien, el seguidor solar de un eje de gran tamaño de la presente invención se diferencia de los seguidores horizontales de un eje de gran tamaño conocidos en que la altura de los postes crece gradualmente desde un primer poste de extremo que soporta un primer extremo del eje hacia un segundo poste de extremo que soporta un segundo extremo del eje, de mod que el eje tiene una inclinación esencialmente uniforme hacia el norte o hacia el sur con relación al terreno y donde una inclinación absoluta del eje es sustancialmente menor que la latitud. En este contexto, la inclinación absoluta del eje se refiere a la inclinación geométrica, es decir, la inclinación con relación a la dirección horizontal (la inclinación es normalmente la suma de la inclinación del eje con relación al terreno más la inclinación del terreno en un plano vertical que contiene el eje). Una inclinación absoluta sustancialmente menor que la latitud puede ser una inclinación que es menor que, por ejemplo, un 75% de la latitud, un 50% de la latitud, un 25% de la latitud, un 15% de la latitud, un 10% de la latitud, o similar.
Adicionalmente, en el seguidor solar de un eje de gran tamaño de la presente invención, se configura la diferencia de altura entre el primer poste de extremo y el segundo poste de extremo de manera que sea suficientemente pequeña de tal modo que no provoque cambios sustanciales en la estructura o el proceso del montaje. En particular, dicha diferencia de altura entre el primer poste de extremo y el segundo poste de extremo que no provoca cambios sustanciales en la estructura o el proceso de montaje es preferiblemente menor de 3 metros, más preferiblemente entre 0,5 metros y 3 metros, más preferiblemente entre 1 metro y 3 metros, más preferiblemente entre 1.5 metros y 3 metros, más preferiblemente entre 2 metros y 3 metros, y más preferiblemente entre 2.5 metros y 3 metros. Cualquiera de estas diferencias de altura es suficientemente pequeña como para no requerir un cambio significativo en la estructura o el proceso de montaje.
Los postes pueden tener cualquier altura siempre que la diferencia de altura entre ellas sea pequeña en el sentido descrito anteriormente. En particular, los postes pueden ser relativamente elevados para conformar una instalación “agro-voltaica”. Las instalaciones agro-voltaicas son estructuras de seguidores de un eje donde la altura del eje es suficientemente alta como para permitir el uso del terreno subyacente para agricultura. Sin embargo, para no provocar un aumento significativo de complejidad y costes de la estructura y el proceso de montaje en el contexto de la presente invención, en ese caso la altura del segundo poste es preferiblemente menor de 10 metros, más preferiblemente menor de 9 metros, más preferiblemente menor de 8 metros, más preferiblemente menor de 7 metros, más preferiblemente menor de 6 metros, más preferiblemente menor de 5 metros, más preferiblemente menor de 4 metros, y más preferiblemente menor de 3 metros.
Otra realización preferida más de la presente invención está dirigida a una instalación solar que comprende una pluralidad de seguidores solares de un eje de gran tamaño como los descritos anteriormente y que además están dispuestos consecutivamente unos de otros. En este caso, el segundo extremo del eje de cada seguidor solar de eje único de gran tamaño está conectado a un primer extremo del eje de un seguidor solar de eje único de gran tamaño subsiguiente por medio de un dispositivo de transmisión de la rotación vertical- horizontal.
En efecto, es conocido que una inclinación de los paneles solares en dirección norte o sur, según el hemisferio donde se encuentre la instalación, mejora el rendimiento de las placas solares. Los seguidores de un eje conocidos en la actualidad que proporcionan dicha inclinación son los seguidores polares. Sin embargo, la estructura de un seguidor polar que se muestra en la Fig. 2c es completamente diferente de la estructura de un seguidor solar horizontal de un eje como el mostrado en la Fig. 2a. Por ese motivo, aunque los seguidores polares captan más energía con relación a la Irradiación Global Horizontal (GHI), como se infiere de los datos proporcionados más arriba en este documento, su estructura resulta excesivamente compleja, y por tanto costosa.
Además, los seguidores polares tienen un eje rotativo que tiene un azimut de 0o (a = 0o) y una inclinación hacia el norte o el sur que es coincidente con la latitud del lugar de instalación (b = latitud). Es decir, los seguidores polares están diseñados para mantener la inclinación óptima correspondiente al lugar de instalación. Por tanto, los seguidores polares no pueden tener ejes muy largos ya que, teniendo en cuenta la inclinación óptima en la mayoría de latitudes, la diferencia de altura entre los dos ejes de extremo sería demasiado grande. Por ejemplo, para una planta solar en el sur de España, la inclinación óptima sería de aproximadamente 37°. Esto significa que, considerando una instalación de gran tamaño con una longitud de eje de 100 metros, la diferencia de altura entre los dos extremos del eje sería del 60 metros, lo que significa que el extremo más alto del eje tendría una altura total de más de 60 metros con relación al nivel del suelo. Por motivos prácticos, esto hace que la construcción, operación y mantenimiento de un seguidor polar de este tipo sea imposible. Por este motivo, como también se ha descrito anteriormente, los seguidores polares utilizados convencionalmente en este campo solo proporcionan soporte para un pequeño número de paneles solares, por ejemplo 4 paneles solares, de manera que tienen ejes muy cortos de no más de unos pocos metros. Por ese motivo, los seguidores polares normalmente solo se usan para plantas pequeñas, es decir, plantas para una única casa o edificio. Sin embargo, los seguidores polares no se utilizan normalmente para grandes plantas y, incluso en tal caso, dicha planta de gran tamaño comprendería una pluralidad de seguidores polares cada uno de los cuales con un eje corto con un pequeño número de paneles solares, y no un único eje con una longitud mayor de 25 metros.
La presente invención proporciona un seguidor cuya estructura corresponde a la de un seguidor solar horizontal de un eje pero con una pequeña inclinación hacia el norte o el sur añadida con relación al terreno, incrementando así la cantidad de energía captada, en particular en el momento del año en que la trayectoria del sol es más baja (es decir, en invierno). Sin embargo, el ángulo de inclinación del eje está limitado por la máxima diferencia de altura entre el poste más alto y el poste más bajo, de manera que no es necesario ningún cambio sustancial en la estructura y los procesos de montaje y mantenimiento. Considerando la longitud del eje en dichas instalaciones de gran tamaño, la inclinación del eje que se puede conseguir es claramente sub-óptima para la mayoría de latitudes, en particular para cualquier localización dentro de Europa. Este hecho parece ser el motivo por el cual ningún experto en la materia ha considerado aún dicha configuración a pesar del gran interés en este campo en los últimos años por plantas de generación fotovoltaica más eficientes. Además, nótese que la invención también es aplicable cuando el seguidor está instalado en un terreno que ya está inclinado hacia el norte o el sur, ya sea con una inclinación constante o una inclinación irregular. El concepto es dotar al eje de un ángulo de inclinación suficientemente pequeño respecto al terreno que se añade a la inclinación del propio terreno.
Los inventores de la presente invención han verificado que el uso de postes con una diferencia de altura demasiado grande entre el primer poste de extremo y el segundo poste de extremo, en particular una diferencia de altura superior a 3 metros, tendría un impacto negativo en el proceso de fabricación y montaje de un seguidor de este tipo. Es decir, para cada altura específica del segundo poste, pequeñas diferencias de altura entre el primer poste de extremo y el segundo poste de extremo no requerirían un aumento significativo de los costes asociados a herramientas de elevación y grúas utilizadas por operadores en comparación con el montaje de un seguidor horizontal de un eje con una altura equivalente. Los costes relacionados con la fabricación, en particular relativos a la sección y/o grosor de los postes y otras partes de la estructura, también permanecen esencialmente inalterados.
En este contexto, nótese que en los proyectos a gran escala donde se utilizan los seguidores objeto de esta propuesta, el modelo financiero para comprobar la rentabilidad de la inversión es desarrollado por el promotor o inversor, considerando una serie de inputs tales como el coste de la implantación, los ingresos derivados de la producción, gastos de operación y mantenimiento, etc. En general, es el inversor quien toma la responsabilidad de valorar el proyecto desde un punto de vista financiero para determinar la viabilidad económica del mismo y la tasa de retorno de la inversión.
Sin embargo, para la valoración de la inversión, los promotores lanzan procesos de licitación a empresas constructoras que cotizan el coste de la implementación desde un punto de vista técnico, partiendo de unas condiciones iniciales como pueden ser la ubicación del proyecto, fabricantes, etc.
Se da la circunstancia que:
(i) el promotor busca un coste de implantación muy bajo en la licitación para conseguir que los resultados del modelo financiero sean los óptimos (cuanto menor sea la inversión, mejor es la rentabilidad del proyecto). El promotor no tiene la capacidad técnica suficiente para percibir que un incremento marginal en el coste del seguidor puede provocar una mejora en la producción de energía y obtener una optimización en la generación; y
(ii) la empresa constructora no tiene conocimientos financieros suficientes para determinar que un incremento en el coste de la construcción mejora la generación de energía y obtiene un mejor resultado en el modelo financiero. Además, le empresa constructora siempre persigue obtener un coste de implementación bajo para adjudicarse la licitación. Debido a la gran demanda de este tipo de proyectos, lo habitual y la tendencia es reducir los costos de implementación al máximo, por lo que no se plantean soluciones que encarezcan la construcción.
En definitiva, la presente invención proporciona una mejora tanto en la producción de energía como en la rentabilidad del proyecto en base a incrementar ligeramente el coste de implantación, algo que a priori no parece lógico en este campo. Sin embargo, se ha demostrado que un pequeño incremento en el coste de implantación consigue mejorar la producción de energía y la rentabilidad de cualquier proyecto basado en seguidores horizontales de un eje. El concepto subyacente a la presente invención es aplicable tanto a nuevas instalaciones como a instalaciones existentes. Finalmente, nótese que la referencia a una diferencia de altura suficientemente pequeña entre el primer y segundo postes de extremo del seguidor de la invención podría definirse en términos del ángulo de inclinación del eje.
Por ejemplo, en realizaciones preferidas de la invención, el ángulo de inclinación del eje podría ser de entre 0.5° y 10°, más preferiblemente entre 0.5° y 9o, más preferiblemente entre 0.5° y 8o, más preferiblemente entre 0.5° y 7o, más preferiblemente entre 0.5° y 6o, más preferiblemente entre 0.5° y 5o, más preferiblemente entre 0.5° y 4o, más preferiblemente entre 0.5° y 3o, más preferiblemente entre 0.5° y 2o, y más preferiblemente entre 0.5° y 1o.
Alternativamente, el ángulo de inclinación del eje puede estar entre 1o y 10°, más preferiblemente entre 1o y 9o, más preferiblemente entre 1o y 8o, más preferiblemente entre 1o y 7o, más preferiblemente entre 1o y 6o, más preferiblemente entre 1o y 5o, más preferiblemente entre 1o y 4o, más preferiblemente entre 1o y 3o, y más preferiblemente entre 1o y 2°
Alternativamente, el ángulo de inclinación del eje puede estar entre 2o y 10°, más preferiblemente entre 2o y 9o, más preferiblemente entre 2o y 8o, más preferiblemente entre 2o y 7o, más preferiblemente entre 2o y 6o, más preferiblemente entre 2o y 5o, más preferiblemente entre 2o y 4o, y más preferiblemente entre 2o y 3o.
Alternativamente, el ángulo de inclinación del eje puede estar entre 3o y 10°, más preferiblemente entre 3o y 9o, más preferiblemente entre 3o y 8o, más preferiblemente entre 3o y 7o, más preferiblemente entre 3o y 6o, más preferiblemente entre 3o y 5o, y más preferiblemente entre 3o y 4o.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra esquemáticamente la orientación de una placa solar y los ángulos que la caracterizan.
Las Figs. 2a-2d muestran respectivamente un seguidor solar de un solo eje horizontal, de eje vertical, de eje polar y de dos ejes.
Las Figs. 3a-3c muestran respectivamente una vista de perfil, en perspectiva y de alzado de un seguidor solar de un solo eje horizontal. La Fig. 4 muestra una vista de alzado de un primer ejemplo de seguidor solar según la presente invención instalado sobre terreno horizontal.
La Fig. 5 muestra una vista de alzado de un segundo ejemplo de seguidor solar según la presente invención instalado sobre terreno inclinado.
La Fig. 6 muestra una vista de alzado de un tercer ejemplo de seguidor solar según la presente invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Primer ejemplo de realización
La Fig. 4 muestra un primer ejemplo de seguidor solar (1) de acuerdo con la invención. Un eje (2) principal orientado en dirección norte-sur está dotado de una pluralidad de bastidores (no representados), y una pluralidad de paneles solares (4) están fijados a dichos bastidores. La longitud total del eje (2) es L. Cuando el eje (2) rota, los bastidores y los paneles solares (4) rotan con el mismo, siguiendo así la posición del sol. El eje (2) está apoyado sobre una pluralidad de postes (5) cuya longitud es progresivamente creciente desde un primer extremo del eje (2), es decir, el poste del extremo sur, hacia el segundo extremo del eje (2), es decir, el poste del extremo norte. La diferencia de altura entre el primer poste de extremo (5) y el segundo poste de extremo (5) es DH. En este ejemplo particular, el eje (2) del seguidor (1) está inclinado hacia el sur un ángulo a, de modo que en general el ángulo de inclinación del eje (2) es: a = arctan (DH/L)
Es fácil apreciar que, para ángulos de inclinación pequeños, la estructura del seguidor (1) es exactamente coincidente con la estructura de un seguidor horizontal de un eje convencional, con la única excepción de la altura de los postes (5). A este respecto, naturalmente la altura de los postes (5) se refiere a la longitud de la porción de poste (5) que emerge del terreno, siendo irrelevante en este contexto la longitud de la porción de poste (5) que está enterrada en el terreno.
Se considera un ejemplo de seguidor (1) solar de un eje de este tipo donde el eje (2) tiene una longitud de 100 metros (L=100 metros), la altura del primer poste de extremo (5) es 2 metros y la altura del segundo poste de extremo (5) es 5 metros (DH=3 metros). Entonces, el ángulo de inclinación sería: a = arctan (3/100) = arctan (0.03) = 1.72°.
Se considera ahora otro ejemplo de seguidor (1) solar de un eje del tipo mostrado en la Fig. 4, en particular una instalación agro-voltaica que tiene la misma diferencia de altura entre los postes primero y segundo (DH=3 metros) pero una menor longitud (L=25 metros). Nótese que la altura del primer poste (5) de extremo es 7 metros y la altura del segundo poste (5) de extremo es 10 metros, dejando así espacio suficiente bajo los paneles solares para el uso de maquinaria agrícola. En cualquier caso, el ángulo de inclinación sería: a = arctan (3/25) = arctan (0.12) = 6.84°.
En ambos casos, el ángulo de inclinación del seguidor (1) solar de un eje de la invención es muy inferior a la inclinación óptima en la mayoría de ubicaciones más comunes, y muy particularmente muy inferior a la inclinación óptima en cualquier ubicación de instalación situada en Europa. En efecto, la latitud de Cádiz, la ciudad situada más al sur de Europa, es de aproximadamente 36.5°, la latitud de Marrakech, en Marruecos, es de aproximadamente 31.7°, incluso en el sur de Libia la latitud está todavía alrededor de 20°. Por el contrario, incluso considerando un seguidor solar (1) de acuerdo con la invención que tenga el mayor ángulo de inclinación posible (es decir, una diferencia de altura máxima de, por ejemplo, 8 metros, combinada con una longitud mínima, por ejemplo 25 metros), el ángulo de inclinación todavía sería solo de a = 17.74°. Claramente, el ángulo de inclinación para diferencias de altura tan pequeñas es sub-óptimo para las ubicaciones de instalación más comunes.
A continuación, se realiza un análisis económico completo de esta propuesta para comparar un seguidor (1) de acuerdo con la presente invención que tiene un ángulo de inclinación de 1.5° con seguidores solares de acuerdo con las tecnologías convencionales que se describieron más arriba en el presente documento. Se considera un seguidor solar (1) que tiene 80 paneles (4) de 500 Wp cada uno para proporcionar una potencia total de 40Kwp y que tiene 7 postes (5). En el seguidor solar horizontal de un eje convencional que se utiliza como referencia, cada poste tiene una altura de 3.5 metros. En el ejemplo de seguidor solar (1) de la invención, cada poste (5) es progresivamente más largo, comenzando por la altura convencional de 3.5 metros en el primer extremo del eje (2) hasta alcanzar una altura de 4.608 metros en el segundo extremo del eje (2).
Como la diferencia de altura entre postes (5) del seguidor solar (1) de la presente invención se selecciona para no provocar un aumento significativo de los costes de producción e instalación, el único coste añadido del seguidor solar (1) de la invención con el ángulo de inclinación a = 1.5° es debido a la mayor longitud de los postes (5). Específicamente, el impacto de la longitud de los postes (5) en el precio es debido al incremento en la cantidad de material necesaria. Después de los cálculos que se muestran en la siguiente tabla, la conclusión es que el sobrecoste de utilizar dichos postes (5) más largos es de 0,00131 euros por Watio instalado (Wp).
Figure imgf000019_0001
Realizando un estudio de producción mediante el software PVSyst, considerando un proyecto de 50MWp, se obtiene el siguiente incremento en la producción:
Figure imgf000019_0002
Los datos completos del análisis se muestran en la siguiente tabla:
Figure imgf000019_0003
Figure imgf000020_0001
Así, considerando el primer ejemplo de seguidor (1) propuesto junto con los seguidores convencionales ya analizados más arriba en este documento, se obtienen las siguientes figuras económicas:
Figure imgf000020_0002
En definitiva, considerando un ángulo de inclinación de 1,5°, el seguidor solar (1) de acuerdo con el primer ejemplo de la invención aporta al proyecto un incremento del VAN del 34,27% con respecto a la siguiente mejor tecnología, el seguidor horizontal a un eje. Es decir, a los quince años de operación del proyecto, el valor del proyecto se incrementa en 221.000 euros. Una vez más, como se ha mencionado anteriormente, nótese que aunque el análisis que se muestra aquí es de naturaleza económica, está basado en motivos técnicos subyacentes. En particular, dotar de una inclinación suficientemente baja a un seguidor convencional de tipo horizontal de un eje no tiene un gran impacto en la complejidad de la instalación y mantenimiento, de manera que el aumento de energía compensa el cambio con creces.
La Fig. 5 muestra un seguidor (1) de acuerdo con el primer ejemplo instalado en un terreno inclinado. Como se puede apreciar, también en este caso se consigue un incremento del ángulo de inclinación del eje que se suma a la propia inclinación del terreno.
Segundo ejemplo de realización
La Fig. 6 muestra una instalación solar (10) que comprende dos seguidores (1a, 1b) solares de un eje del tipo descrito en el primer ejemplo de realización, donde cada uno tiene un eje (2a, 2b) con una inclinación de 5o, estando los dos ejes (2a, 2b) conectados uno al otro de manera consecutiva. Cada eje (2a, 2b) es soportado por un grupo de postes (5) correspondiente que tienen alturas progresivamente crecientes. Por tanto, los postes (5) que soportan el eje (2a) del seguidor (1a) situado en el lado izquierdo de la figura tienen una altura progresivamente creciente en la dirección sur-norte empezando desde un poste (5) de extremo sur de 3500 mm en el extremo sur de dicho eje (2a). Similarmente, los postes (5) que soportan el eje (2b) del seguidor (1b) situado en el lado derecho de la figura tienen una altura progresivamente creciente en la dirección sur-norte también empezando desde un poste (5) de extremo sur de 3500 mm en el extremo sur de dicho eje (2b). Por tanto, en el punto en la sección intermedia de la instalación (10) donde el eje (2a) del lado izquierdo se encuentra con el eje (2b) del lado derecho, hay una diferencia de altura entre el poste (5) del extremo norte del seguidor (1a) del lado izquierdo y el poste (5) del extremo sur del seguidor (1b) del lado derecho. Por ese motivo, se conecta un dispositivo (6) de transmisión de rotación vertical-horizontal entre el extremo norte del eje (2a) del lado izquierdo y el extremo sur del eje (2b) del lado derecho para transmitir el movimiento de rotación. Este tipo de dispositivos 86) de transmisión de rotación vertical-horizontal son conocidos en la técnica. Dada una cierta longitud total de la instalación, esta configuración permite una mayor inclinación de cada una de las porciones de eje, y por tanto un mayor aumento en la energía obtenida. A continuación, se realiza un análisis económico completo de esta propuesta, y se lleva a cabo una comparación con la instalación del primer ejemplo de realización. También se lleva a cabo una comparación con las tecnologías convencionales descritas en este documento. Se considera una instalación como la mostrada en la Fig. 6 con un ángulo de inclinación de 5o. Se considera un coste extra de 700€ por seguidor en concepto de la adquisición e instalación de un dispositivo (6) de transmisión de rotación horizontal-vertical, lo que equivale en coste por watio instalado a 0,0175 €/Wp. Dado que el coste de fabricación de un seguidor (modelo SF/ 2V) es de alrededor 1.000€, se consideran válidas las consideraciones anteriores.
Realizando un estudio de producción mediante el software PVSyst, considerando un proyecto de 50MWp, se obtiene el siguiente incremento en la producción:
Figure imgf000022_0001
Los datos completos del análisis se muestran en la siguiente tabla:
Figure imgf000022_0002
Considerando el primer ejemplo de realización, el segundo ejemplo de realización, y los seguidores convencionales ya analizados anteriormente, se obtiene el siguiente Valor Actual
Neto (VAN):
Figure imgf000023_0001
En definitiva, el segundo ejemplo de realización consiste fundamentalmente en dividir el eje único del seguidor del primer ejemplo de realización en varias porciones de eje consecutivas. Esta configuración es ventajosa porque permite conseguir una inclinación aún mayor para una instalación con una misma longitud global. En efecto, como se ha descrito anteriormente en este documento, una instalación de 100 metros de largo formada por un único seguidor de acuerdo con la invención con un incremento de altura de 3 metros tendría una inclinación de 1.72°. Esta instalación podría sustituirse por una instalación que comprende cuatro seguidores consecutivos de 25 metros de longitud conectados unos con otros, teniendo cada uno de ellos un incremento de altura de 3 metros. Ahora, el ángulo de inclinación de cada uno de los cuatro ejes correspondientes a los cuatro seguidores sería de 6.84°. Una mayor inclinación permite obtener una mayor cantidad de energía.
En el ejemplo concreto analizado anteriormente, el VAN aumenta un 53,74% con respecto a la mejor tecnología convencional, el seguidor horizontal a un eje. Es decir, a los quince años de operación del proyecto el valor del proyecto se incrementa en más de 346.000 euros.
Naturalmente, como ocurría con el primer ejemplo de realización, el segundo ejemplo de realización también es aplicable cuando el terreno tiene una inclinación.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño, que comprende una estructura formada por un eje (2) que tiene una longitud de al menos 25 metros y una pluralidad de bastidores que soportan paneles solares (4) conectados a dicho eje (2), donde el eje (2) está orientado en la dirección norte-sur, y donde el eje (2) está soportado por una fila formada por una pluralidad de postes (5) anclados al terreno en una posición que tiene una latitud, caracterizado por que
- una altura de los postes (5) aumenta gradualmente desde un primer poste (5) de extremo que soporta un primer extremo del eje (2) hacia un segundo poste (5) de extremo que soporta un segundo extremo del eje (2), de manera que el eje (2) tiene una inclinación relativa esencialmente uniforme hacia el norte o hacia el sur con relación al terreno, donde una inclinación absoluta del eje es sustancialmente menor que la latitud, y
- una diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo está configurada para ser suficientemente pequeña como para no causar cambios sustanciales en la estructura o el proceso de montaje del seguidor (1).
2. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 1, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es menor de 3 metros.
3. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 2, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es de entre 0.5 metros y 3 metros.
4. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 3, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es de entre 1 metro y 3 metros.
5. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 4, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es de entre 1.5 metros y 3 metros.
6. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 5, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es de entre 2 metros y 3 metros.
7. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 6, donde la diferencia de altura entre el primer poste (5) de extremo y el segundo poste (5) de extremo es de entre 2.5 metros y 3 metros.
8. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 10 metros.
9. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 8, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 9 metros.
10. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 9, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 8 metros.
11. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 10, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 7 metros.
12. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 11, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 6 metros.
13. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 12, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 5 metros.
14. Seguidor (1) solar de un eje de gran tamaño de acuerdo con la reivindicación 13, donde la altura del segundo poste (5) de extremo es menor de 4 metros.
15. Instalación solar (10) que comprende una pluralidad de seguidores (1a, 1b) solares de un eje de gran tamaño según cualquiera de las reivindicaciones 1-14 dispuestos consecutivamente, donde el segundo extremo del eje (2) de cada seguidor (1a) solar de un eje de gran tamaño está conectado al primer extremo del eje (2) de un seguidor (1b) solar de un eje de gran tamaño subsiguiente por medio de un dispositivo (6) de transmisión de rotación vertical-horizontal.
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