ES3061987T3 - Device and system for floating photovoltaics - Google Patents

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Dispositivo y sistema para energía fotovoltaica flotante

[0003] La invención se refiere en general a la energía fotovoltaica flotante (FPV). En particular, la invención se refiere a un pontón poroso para un módulo fotovoltaico/solar flotante, teniendo el pontón una longitud, una anchura y una altura, y teniendo el pontón perforaciones que atraviesan/penetran en su altura para definir una estructura porosa. La invención también se refiere a un módulo fotovoltaico flotante que incluye un pontón poroso, a un sistema fotovoltaico flotante y a un método para instalar dicho sistema fotovoltaico flotante.

[0004] La fotovoltaica flotante (FPV)/solar flotante, también denominada en ocasiones "flotovoltaica", consiste en paneles solares montados sobre una estructura flotante en un cuerpo de agua, como un lago o el mar. La FPV ha recibido una atención significativa en los últimos años debido al mayor enfoque en la energía renovable. En comparación con la energía fotovoltaica (PV) terrestre, la FPV tiene varias ventajas, incluyendo no ocupar espacio en tierra, aumentar la eficiencia debido al enfriamiento natural de las celdas solares a partir del agua circundante, facilitar la instalación y el desmantelamiento, reducir la evaporación de las cuencas hidrográficas debido a la cobertura parcial de la superficie y facilitar el seguimiento, es decir, la posibilidad de rotar grandes instalaciones solares flotantes para optimizar la irradiancia solar sin necesidad de equipos mecánicos complejos y costosos.

[0005] Sin embargo, el coste de instalar FPV sigue siendo significativamente más alto que el coste de instalar PV terrestre. También existen preocupaciones con respecto a la capacidad de los sistemas FPV instalados en el mar para soportar cargas de viento y grandes olas, lo que, hasta ahora, ha limitado la prevalencia de las instalaciones FPV en alta mar. La fiabilidad a largo plazo de los componentes del sistema, tanto por la fatiga provocada por el movimiento del viento y las olas como por el agua salada, también ha sido motivo de preocupación. Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas FPV con costes de producción e instalación reducidos y con una durabilidad mejorada en condiciones meteorológicas adversas.

[0006] El documento KR 20190138167 A describe un sistema fotovoltaico flotante que incluye una pluralidad de pontones modulares e interconectables para crear un fundamento flotante para los paneles solares. Cada pontón está formado con perforaciones que lo atraviesan y con protuberancias y huecos alrededor de su circunferencia, donde una protuberancia de un pontón debe insertarse en un hueco de un pontón similar para conectarlos.

[0007] El documento KR 101970640 B1 describe una planta de energía solar flotante, en la que los paneles solares se colocan encima de columnas verticales flotantes. Una pluralidad de tales columnas flotantes está interconectada en una red rectangular que forma un sistema de energía solar.

[0008] El documento CN 115214854 A describe una planta de energía solar flotante en la que una pluralidad de módulos solares flotantes están interconectados en una red y amarrados al fondo marino. Cada módulo solar incluye una placa base de soporte perforada y un panel solar en la parte superior.

[0009] La invención tiene por objeto remediar o reducir al menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior, o al menos proporcionar una alternativa útil a la técnica anterior.

[0010] El objetivo se logra a través de características, que se especifican en la descripción siguiente y en las reivindicaciones que siguen.

[0011] La invención se define mediante las reivindicaciones independientes de la patente. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones ventajosas de la invención.

[0012] En un primer aspecto, la invención se refiere a un pontón poroso para un módulo fotovoltaico flotante (FPV), presentando el pontón una longitud, una anchura y una altura, y presentando el pontón perforaciones a lo largo de su altura, en donde el pontón, alrededor de su circunferencia, está provisto de una pluralidad de huecos, estando conformados la pluralidad de huecos para recibir de manera complementaria un flotador cilíndrico respectivo adaptado para conectarse y proporcionar flotabilidad al pontón. Los huecos cilíndricos permiten un ajuste perfecto con los flotadores, de modo que hay un desgaste mínimo y una fuerte conexión entre las superficies de contacto. Se puede lograr una mejor transferencia de las cargas (momentos y fuerzas) entre los flotadores y el pontón, ya que el flotador integrado puede resistir de manera fiable grandes cargas ambientales causadas por el viento y las olas.

[0013] Las perforaciones pueden reforzar la rigidez a la flexión fuera del plano del pontón poroso y proporcionar circulación de aire entre los paneles solares y la superficie del agua y, por lo tanto, mejorar el enfriamiento de los paneles solares. Las perforaciones también pueden contribuir a aumentar la resistencia del pontón al movimiento vertical, reduciendo así su movimiento en la masa de agua en respuesta al viento y las olas.

[0014] En una realización, la longitud y la anchura del pontón poroso pueden definir sustancialmente un rectángulo. Por "sustancialmente" se entiende que la superficie superior/inferior del pontón puede definir un rectángulo, excepto en los huecos, donde la circunferencia normalmente se desviará de las líneas rectas. Una ventaja de la forma rectangular es que una pluralidad de pontones se pueden apilar uno encima del otro y caber perfectamente en un contenedor de transporte estandarizado, optimizando así la eficiencia del transporte. En una realización, el pontón poroso puede tener una longitud del orden de 4 metros y una anchura del orden de 2,5 metros, preferiblemente alrededor de 4,2 veces 2,4 metros, por lo que una pluralidad de dichos pontones pueden apilarse uno encima del otro en un contenedor de transporte estándar de aprox. 4,27 m/2,44 m (14 pies/8 pies). La altura del pontón puede estar en el intervalo de 0,1 m a 0,5 m, preferiblemente alrededor de 0,3 m. La forma rectangular también es ventajosa para optimizar la superficie del pontón poroso con respecto a la producción de energía, ya que la mayoría de los paneles solares disponibles comercialmente tienen forma rectangular. Por lo tanto, con la forma rectangular, el consumo de material puede minimizarse y los costes de transporte y logística pueden reducirse significativamente. El uso de la forma rectangular también puede contribuir a mejorar el uso económico de un espacio marino determinado para el despliegue de FPV, ya que permite un despliegue denso de módulos.

[0015] Según la reivindicación 1, la pluralidad de huecos está conformada para recibir un respectivo flotador cilíndrico, lo que implica que el hueco se formará como parte de un cilindro, es decir, formará un arco circular en el plano longitud/anchura. En una realización, el pontón puede estar provisto de seis huecos, cada una conformado para recibir un respectivo flotador cilíndrico. Preferiblemente, los huecos pueden distribuirse de manera uniforme y simétrica alrededor de la circunferencia del pontón poroso, por ejemplo, con unos huecos en cada una de las esquinas del rectángulo y un hueco a mitad de camino a lo largo de cada longitud/lado más largo del pontón. Los cilindros individuales definen una forma geométrica simple y pueden fabricarse a bajo coste, tal como mediante el uso de una técnica de moldeo rotacional o moldeo por inyección y soplado. Si, por el contrario, se utilizara un cuerpo continuo y hermético (con todos los flotadores y pontones incluidos), los moldes serían más complejos y costosos que los de los cilindros y pontones individuales. También es difícil mantener una alta calidad de los productos cuando la geometría es sofisticada. Durante el uso, los cilindros individuales se sumergirán en agua con pequeñas áreas de perforación, lo que provocará una pequeña carga hidrodinámica inducida por las olas. Si, en cambio, se utilizara un gran cuerpo flotante sumergido en el agua, las cargas de las olas serían mucho mayores. Además, los cilindros individuales pueden transportarse de una manera eficiente en cuanto al espacio.

[0016] En una realización, las perforaciones pueden formarse con una sección transversal circular, es decir, las perforaciones pueden definir cavidades cilíndricas internas en el pontón. Las simulaciones han demostrado que la forma circular puede conducir a una mejor separación del flujo y, por lo tanto, al efecto de amortiguación del pontón.

[0017] En una realización, las perforaciones pueden representar un 10-50 % de la superficie total del pontón, preferiblemente alrededor del 25 %, lo que corresponde a una relación de porosidad de 0,25. Como se ha mencionado anteriormente, se ha demostrado, tanto numérica como experimentalmente, que las perforaciones tienen un efecto positivo en el comportamiento del pontón en el mar y, en particular, amortiguan su movimiento vertical en respuesta a la excitación de las olas. La relación de porosidad óptima puede variar en diferentes configuraciones, donde una relación de porosidad alta a menudo conducirá a una mejor amortiguación, mientras que una relación de porosidad demasiado alta puede poner en riesgo la integridad estructural del pontón como tal. Se ha descubierto que una relación de porosidad de alrededor de 0,25 es una compensación adecuada en la mayoría de las situaciones.

[0018] En una realización, el pontón poroso puede estar hecho de polietileno de alta densidad (HDPE).

[0019] En un segundo aspecto, la invención se refiere a un módulo fotovoltaico flotante que incluye un pontón poroso según el primer aspecto de la invención, comprendiendo, además, el módulo fotovoltaico flotante:

[0020] - una pluralidad de flotadores conectados al pontón y colocados en los respectivos huecos; y

[0021] - uno o más paneles fotovoltaicos colocados en la parte superior del pontón.

[0022] Los flotadores pueden ser cilindros hechos de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP).

[0023] En condiciones normales de uso, en aguas tranquilas, los flotadores estarán en contacto con el agua, lo que proporcionará suficiente flotabilidad para mantener el pontón con los paneles solares por encima del nivel del mar. Incluso si el pontón tiene su propia flotabilidad, no estará en contacto con la masa de agua cuando el agua esté tranquila. Como se ha mencionado anteriormente, la reducción del área de contacto con la masa de agua reduce la carga hidrodinámica inducida por las olas en el módulo PV en su conjunto.

[0024] En una realización, el módulo fotovoltaico flotante puede comprender cuatro paneles fotovoltaicos dispuestos en una disposición de doble paso. La disposición de doble paso, es decir, con dos y dos paneles solares que tienen una orientación e inclinación idénticas, puede ser útil como compensación para optimizar la producción de energía para un módulo solar sin ningún seguimiento o medio para orientar el módulo según la posición del sol en el cielo.

[0025] Cada uno de los flotadores puede estar conectado al pontón, en su respectivo hueco, por medio de un conector/soporte o similar. Cada conector puede incluir partes macho y hembra, p. ej., se utilizarán placas de aleta en la interfaz de conexión y pasadores (pernos) y tuercas hechos de, p. ej., materiales de nailon de alta resistencia, para el mecanismo de bloqueo.

[0026] En un tercer aspecto, la invención se refiere a un sistema FPV que comprende una red de módulos fotovoltaicos flotantes interconectados según el segundo aspecto de la invención.

[0027] En una realización, los módulos de la red pueden conectarse a cuatro módulos PV circundantes. Se entenderá que los módulos colocados en el centro de la red pueden conectarse a cuatro módulos solares/PV circundantes/vecinos. Sin embargo, los módulos solares colocados en un borde/perímetro de la red pueden conectarse a menos módulos solares vecinos. Uno o más módulos PV proporcionados cerca de un borde/perímetro del sistema FPV pueden amarrarse al fondo marino. En una realización preferida, los cuatro módulos PV circundantes pueden estar colocados diagonalmente en la red con respecto al módulo PV al que están conectados, y las conexiones entre los módulos PV pueden ser conexiones cruciformes.

[0028] En una realización, las conexiones pueden hacerse por medio de cables elásticos no compresivos, tales como cables de fibra. Esto significa que solo pueden actuar fuerzas axiales entre los módulos solares de la red. En una realización, los cables pueden ser cables de poliéster. Opcionalmente, las conexiones de cable pueden pretensarse, lo que conduce a una conexión más estrecha entre los módulos solares de la red.

[0029] En un cuarto aspecto, la invención se refiere a un método de instalación de un sistema FPV según el tercer aspecto de la invención, donde el método incluye las etapas de:

[0030] - remolcar el sistema fotovoltaico flotante en su conjunto hasta un lugar de producción; y

[0031] - amarrar el sistema fotovoltaico flotante al fondo marino.

[0032] Puede resultar enormemente beneficioso poder montar la red cerca de una costa/muelle y, posteriormente, remolcarla, en su conjunto, hasta su lugar de producción, donde puede amarrarse al fondo marino y/o a una instalación fija cercana.

[0033] El enfoque principal de la presente descripción son los aspectos mecánicos/estructurales de la invención. Además, también es necesario proporcionar conexiones eléctricas entre los módulos solares fotovoltaicos flotantes dentro de un sistema fotovoltaico flotante según la invención. Normalmente, una pluralidad de módulos fotovoltaicos flotantes se pueden conectar en serie por medio de cables de alimentación/conexiones flotantes. Si se proporcionan dos o más sistemas fotovoltaicos flotantes según la invención, uno cerca del otro, también los sistemas fotovoltaicos flotantes pueden conectarse eléctricamente entre sí. Uno o más de los sistemas fotovoltaicos flotantes pueden estar conectados eléctricamente a un transformador flotante. A continuación, se describe un ejemplo de una realización preferida ilustrada en los dibujos adjuntos, en donde:

[0034] la Fig.1 muestra una vista despiezada de un módulo fotovoltaico flotante según la invención;

[0035] la Fig.2 muestra una realización de un sistema fotovoltaico flotante según la invención; y

[0036] la Fig.3 muestra, a menor escala, una realización de un sistema fotovoltaico flotante cuando está amarrado a un fondo marino.

[0037] A continuación, el número de referencia 1 se usará para indicar un pontón poroso según el primer aspecto de la invención, mientras que los números de referencia 10 y 100 se usarán para indicar un módulo fotovoltaico flotante y un sistema fotovoltaico flotante según el segundo y tercer aspecto de la invención, respectivamente. Cualquier indicación de posición se refiere a la posición mostrada en las figuras.

[0038] En las figuras, los elementos iguales o correspondientes se indican con los mismos números de referencia. Por motivos de claridad, algunos elementos pueden estar sin números de referencia en algunas de las figuras. Un experto en la técnica comprenderá que las figuras son solo dibujos principales. Las proporciones relativas de los elementos individuales también pueden estar distorsionadas.

[0039] La Fig.1 muestra, en una vista despiezada, una realización de un módulo 10 fotovoltaico flotante (FPV) según el segundo aspecto de la invención. El módulo FPV 10 incluye un pontón poroso 1, según el primer aspecto de la invención, seis flotadores 2, en forma de cilindros, y cuatro paneles fotovoltaicos (PV) 4. El pontón poroso 1, denominado en lo sucesivo simplemente "el pontón", tiene una longitud L, una anchura W y una altura H. La longitud L y la anchura W generalmente definen un rectángulo. En la realización mostrada, la longitud L es de aproximadamente 4,2 m, la anchura W es de aproximadamente 2,4 m, mientras que la altura H es de aproximadamente 0,3 m. La porosidad del pontón se proporciona por medio de una pluralidad de perforaciones 6 que se extienden a la altura H del pontón. En la realización mostrada, las perforaciones tienen una sección transversal circular, definiendo así los cilindros vacíos internamente en el pontón 1. El pontón 1 está formado por seis huecos 8 alrededor de su circunferencia, formándose los huecos como arcos circulares en el plano horizontal, por lo que son complementarios y se ajustan a la circunferencia de los flotadores cilíndricos 2. Se forma un hueco 8 en cada esquina 12, mientras que también se forma un hueco 8 a mitad de camino a lo largo de los lados largos 14 del pontón.

[0041] La Fig. 2 muestra un sistema FPV 100 según el tercer aspecto de la invención que incluye una pluralidad de módulos FPV 10 ensamblados e interconectados según el segundo aspecto de la invención. Cada módulo FPV 10 incluye los paneles PV 4 en una disposición de doble paso, es decir, dos y dos paneles inclinados hacia dentro desde la circunferencia hacia una parte central 16, como se indica en la Fig.2, del pontón 1. Los medios para unir los flotadores cilíndricos 2 al pontón 1 no se muestran con detalle, pero anteriormente se han descrito ejemplos de dichos medios.

[0043] Los módulos FPV 10 están conectados por medio de conexiones cruciformes 18 constituidas por cables 20 de fibra cruzados que se extienden diagonalmente desde la esquina superior de un pontón 1 hasta la esquina inferior de un pontón 1 vecino ubicado en diagonal. En la realización mostrada, los cables 20 de fibra están conectados a los flotadores cilíndricos 2 o, más bien, a conectores no mostrados que conectan los flotadores cilíndricos 2 a los pontones 1. Las conexiones cruciformes 18 solo transfieren la tensión axial, por lo que no se transfieren momentos ni fuerzas de compresión entre los módulos FPV 10.

[0045] La Fig. 3 muestra un ejemplo de sistema FPV 100 colocado en una ubicación de producción deseada y amarrado a un fondo marino 24 con una pluralidad de líneas 26 de amarre. Las líneas de amarre están amarradas al fondo marino por medio de anclajes 28 (indicados muy esquemáticamente en la figura), tales como anclajes de succión o pilotes. Como puede observarse en la figura, solo los módulos FPV 10 en el perímetro del sistema FPV 100 están amarrados directamente al fondo marino 24. Los módulos FPV 10 restantes, internamente en la red que define el sistema FPV 100, están anclados indirectamente mediante su interconexión a los módulos 10 amarrados en el sistema 100.

[0047] Cabe señalar que las realizaciones mencionadas anteriormente ilustran la invención, pero no la limitan, y que los expertos en la técnica podrán diseñar muchas realizaciones alternativas sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, cualquier signo de referencia colocado entre paréntesis no se interpretará como limitativo de la reivindicación. El uso del verbo "comprender" y sus conjugaciones no excluye la presencia de elementos o pasos distintos de los indicados en una reivindicación. El artículo "un" o "una" que precede a un elemento no excluye la presencia de una pluralidad de dichos elementos.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

1. Pontón poroso (1) para un módulo (10) fotovoltaico flotante, presentando el pontón (1) una longitud (L), una anchura (W) y una altura (H), y presentando el pontón (1) perforaciones (6) que atraviesan su altura (H), en donde el pontón (1), alrededor de su circunferencia, está provisto de una pluralidad de huecos (8), estando la pluralidad de huecos (8) conformados para recibir de manera complementaria un respectivo flotador (2) adaptado para conectarse al pontón (1) y proporcionar flotabilidad al mismo,

caracterizado por que cada uno de la pluralidad de huecos (8) está conformado para recibir un respectivo flotador (2) cilíndrico.

2. Pontón poroso (1) según la reivindicación 1, en donde la longitud (L) y la anchura (W) del pontón poroso definen sustancialmente un rectángulo.

3. Pontón poroso (1) según la reivindicación 2, en donde la longitud (L) del pontón poroso (1) es del orden de 4 metros, y la anchura (W) del pontón (1) es del orden de 2,5 metros, preferiblemente alrededor de 4,2 veces 2,4 metros.

4. Pontón poroso (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el pontón (1) está provisto de seis huecos (8), cada uno conformado para recibir un respectivo flotador (2) cilíndrico.

5. Pontón poroso (1) según la reivindicación 4, donde cuatro de los huecos (8) se proporcionan en las esquinas (12) del rectángulo y donde dos de los huecos se proporcionan a mitad de camino a lo largo de la longitud (L, 14) del pontón (1).

6. Pontón poroso (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las perforaciones (6) están formadas con una sección transversal circular.

7. Pontón poroso (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las perforaciones (6) representan el 10-50 % de la superficie total del pontón (1), preferiblemente alrededor del 25 %.

8. Módulo (10) fotovoltaico flotante que incluye un pontón poroso (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el módulo (10) fotovoltaico flotante, además:

- una pluralidad de flotadores (2) conectados al pontón (1) y colocados en el respectivo hueco (8); y - uno o más paneles fotovoltaicos (4) colocados en la parte superior del pontón (1).

9. Módulo (10) fotovoltaico flotante según la reivindicación 8, en donde el módulo (10) fotovoltaico flotante comprende cuatro paneles fotovoltaicos (4) dispuestos en una disposición de doble paso.

10. Sistema (100) fotovoltaico flotante que comprende una red de módulos (10) fotovoltaicos flotantes interconectados según la reivindicación 8 o 9.

11. Sistema (100) fotovoltaico flotante según la reivindicación 10, en donde los módulos (10) fotovoltaicos de la red están conectados a cuatro módulos (10) fotovoltaicos circundantes.

12. Sistema (100) fotovoltaico flotante según la reivindicación 11, en donde los cuatro módulos (10) circundantes están colocados diagonalmente en la red con respecto al módulo (10) fotovoltaico al que están conectados y en donde las conexiones entre los módulos fotovoltaicos son conexiones cruciformes (18).

13. Sistema (100) fotovoltaico flotante según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, en donde las conexiones se realizan por medio de cables (20) de fibra.

14. Método para instalar un sistema (100) fotovoltaico flotante según una cualquiera de las reivindicaciones 10-13, donde el método incluye las etapas de:

- remolcar el sistema (100) fotovoltaico flotante en su conjunto hasta un lugar de producción; y

- amarrar el sistema fotovoltaico flotante al fondo marino (24).